拉蓋爾-高斯光束具有螺旋等相位面和中心相位奇點(diǎn),從而攜帶一定的軌道角動(dòng)量。光的軌道角動(dòng)量在光學(xué)微操縱、量子糾纏、光學(xué)通信、天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來,隨著CPA技術(shù)將激光發(fā)提升到相對論強(qiáng)度,超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束也具備了極高的軌道角動(dòng)量密度。螺旋相位板是一種光學(xué)厚度隨方位角螺旋上升的結(jié)構(gòu)靶,可對入射的高斯光束進(jìn)行相位調(diào)制,利用等離子體螺旋相位板就可以產(chǎn)生超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束。當(dāng)超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束與等離子體相互作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生許多新的物理效應(yīng),如中空尾場、渦旋狀高次諧波和伽馬光子、反射光偏離、“渦旋刀”操縱粒子束等。
該研究中,科研人員將一束相對論強(qiáng)度的線偏振高斯光束正入射到兩個(gè)系列的等離子體螺旋相位板上。每個(gè)系列的螺旋相位板都能產(chǎn)生一定拓?fù)浜傻睦w爾-高斯光束。其中一個(gè)系列的螺旋相位板的厚度隨方位角單調(diào)上升(稱為SPF),而另一個(gè)系列的厚度隨方位角重復(fù)了多個(gè)周期(稱為MPF)。研究人員觀察到,在相互作用時(shí),SPF中的粒子角動(dòng)量會(huì)隨著時(shí)間而振蕩,而MPF卻無此現(xiàn)象。理論分析發(fā)現(xiàn),角動(dòng)量振蕩效應(yīng)由結(jié)構(gòu)靶表面的非對稱電場產(chǎn)生,并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)靶的表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)粒子角動(dòng)量振蕩幅度的增強(qiáng)或減弱。螺旋相位板在振蕩過程中也會(huì)獲得一定的凈角動(dòng)量,這表明高斯光束與結(jié)構(gòu)靶的相互作用可以對靶內(nèi)粒子進(jìn)行角向加速。并且產(chǎn)生的拉蓋爾-高斯光束的拓?fù)浜稍酱?,角向加速的效果就越明顯。這一研究成果對激光加速粒子提供了新的物理機(jī)制和研究思路,對涉及粒子加速的諸多領(lǐng)域都具有重要的指導(dǎo)意義。審稿人評價(jià)該研究工作“非常有趣和新穎,采用的模型有效地解釋了角動(dòng)量振蕩行為”。
該項(xiàng)研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)(B類)科技專項(xiàng)等的支持。
圖1. 兩個(gè)不同系列的等離子體螺旋相位板(SPF和MPF)的結(jié)構(gòu)圖
圖2. 用兩個(gè)不同系列的等離子體螺旋相位板(SPF和MPF)產(chǎn)生具有不同拓?fù)浜傻臏u旋光束和靶內(nèi)粒子的角動(dòng)量振蕩效應(yīng)
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