近期，上海光機(jī)所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)利用相對論強(qiáng)度的圓偏振激光與固體靶作用可以產(chǎn)生高強(qiáng)度的攜帶有軌道角動(dòng)量的表面高次諧波，并揭示出其中的物理本質(zhì)是光的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化為軌道角動(dòng)量，且根據(jù)這個(gè)新物理提出了一種產(chǎn)生單個(gè)阿秒渦旋脈沖的方案。相關(guān)成果發(fā)表在［Nature Communications， 10， 5554 （2019）］。
具有螺旋相位的光場因?yàn)閿y帶有軌道角動(dòng)量而被稱之為渦旋光。軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量一同構(gòu)成了相干光場的角動(dòng)量屬性，渦旋光在光學(xué)成像、光子操控和光通信上已經(jīng)展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。目前，產(chǎn)生低強(qiáng)度的渦旋光可以借助螺旋相位板或光柵來實(shí)現(xiàn)，但是對于探測成像所需的紫外波段的渦旋光，尤其是高強(qiáng)度的紫外渦旋光，產(chǎn)生的難度仍然很大。
該項(xiàng)研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)將相對論強(qiáng)度的圓偏振激光垂直入射到固體靶表面時(shí)，可以讓平面靶的表面發(fā)生形變而形成一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)。該凹槽結(jié)構(gòu)使得垂直入射的非軸上的光變成了斜入射，從而能有效的振蕩等離子體表面，進(jìn)而產(chǎn)生表面高次諧波輻射。更為有趣的是該等離子體振蕩相位取決于等離子體所在的方位角，從而將軌道角動(dòng)量引入到產(chǎn)生的高次諧波輻射中。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，諧波中光子的軌道角動(dòng)量是由多個(gè)驅(qū)動(dòng)光子的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化而來，而且該轉(zhuǎn)化過程滿足角動(dòng)量守恒定律。
該項(xiàng)研究工作，突破了之前難以通過光學(xué)器件產(chǎn)生高強(qiáng)度渦旋光的限制，使得利用目前已有的拍瓦級強(qiáng)激光和固體靶直接作用來產(chǎn)生相對論強(qiáng)度的渦旋光場成為可能?？蒲腥藛T進(jìn)一步提出，如果采用預(yù)先凹槽處理的固體靶與少周期的超短脈沖作用，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度的單個(gè)阿秒渦旋脈沖。這為手性結(jié)構(gòu)等材料的超快探測提供了一種可能的優(yōu)良光源。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院國際人才項(xiàng)目以及中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。
圖1 圓偏振光轉(zhuǎn)化為渦旋光的原理圖和單個(gè)阿秒渦旋脈沖的空間結(jié)構(gòu)示意圖
圖片來源：上海光機(jī)所
圖2 三階諧波的相位結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度分布
圖片來源：上海光機(jī)所
具有螺旋相位的光場因?yàn)閿y帶有軌道角動(dòng)量而被稱之為渦旋光。軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量一同構(gòu)成了相干光場的角動(dòng)量屬性，渦旋光在光學(xué)成像、光子操控和光通信上已經(jīng)展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。目前，產(chǎn)生低強(qiáng)度的渦旋光可以借助螺旋相位板或光柵來實(shí)現(xiàn)，但是對于探測成像所需的紫外波段的渦旋光，尤其是高強(qiáng)度的紫外渦旋光，產(chǎn)生的難度仍然很大。
該項(xiàng)研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)將相對論強(qiáng)度的圓偏振激光垂直入射到固體靶表面時(shí)，可以讓平面靶的表面發(fā)生形變而形成一個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)。該凹槽結(jié)構(gòu)使得垂直入射的非軸上的光變成了斜入射，從而能有效的振蕩等離子體表面，進(jìn)而產(chǎn)生表面高次諧波輻射。更為有趣的是該等離子體振蕩相位取決于等離子體所在的方位角，從而將軌道角動(dòng)量引入到產(chǎn)生的高次諧波輻射中。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，諧波中光子的軌道角動(dòng)量是由多個(gè)驅(qū)動(dòng)光子的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化而來，而且該轉(zhuǎn)化過程滿足角動(dòng)量守恒定律。
該項(xiàng)研究工作，突破了之前難以通過光學(xué)器件產(chǎn)生高強(qiáng)度渦旋光的限制，使得利用目前已有的拍瓦級強(qiáng)激光和固體靶直接作用來產(chǎn)生相對論強(qiáng)度的渦旋光場成為可能?？蒲腥藛T進(jìn)一步提出，如果采用預(yù)先凹槽處理的固體靶與少周期的超短脈沖作用，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度的單個(gè)阿秒渦旋脈沖。這為手性結(jié)構(gòu)等材料的超快探測提供了一種可能的優(yōu)良光源。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院國際人才項(xiàng)目以及中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。
圖1 圓偏振光轉(zhuǎn)化為渦旋光的原理圖和單個(gè)阿秒渦旋脈沖的空間結(jié)構(gòu)示意圖
圖片來源：上海光機(jī)所
圖2 三階諧波的相位結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度分布
圖片來源：上海光機(jī)所
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