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上海光機所在產生高強度阿秒渦旋脈沖方面取得進展

2019-12-12

    近期,中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室發現利用相對論強度的圓偏振激光與固體靶作用可以產生高強度的攜帶有軌道角動量的表面高次諧波,并揭示出其中的物理本質是光的自旋角動量轉化為軌道角動量,且根據這個新物理提出了一種產生單個阿秒渦旋脈沖的方案。相關成果發表于《自然-通訊》[Nature Communications, 10, 5554 (2019)]。

  具有螺旋相位的光場因為攜帶有軌道角動量而被稱之為渦旋光。軌道角動量與自旋角動量一同構成了相干光場的角動量屬性,渦旋光在光學成像、光子操控和光通信上已經展現出重要的應用前景。目前,產生低強度的渦旋光可以借助螺旋相位板或光柵來實現,但是對于探測成像所需的紫外波段的渦旋光,尤其是高強度的紫外渦旋光,產生的難度仍然很大。

  該項研究中,科研人員發現將相對論強度的圓偏振激光垂直入射到固體靶表面時,可以讓平面靶的表面發生形變而形成一個凹槽結構。該凹槽結構使得垂直入射的非軸上的光變成了斜入射,從而能有效地振蕩等離子體表面,進而產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,從而將軌道角動量引入到產生的高次諧波輻射中。進一步分析發現,諧波中光子的軌道角動量是由多個驅動光子的自旋角動量轉化而來,而且該轉化過程滿足角動量守恒定律。

  該項研究工作,突破了之前難以通過光學器件產生高強度渦旋光的限制,使得利用目前已有的拍瓦級強激光和固體靶直接作用來產生相對論強度的渦旋光場成為可能。科研人員進一步提出,如果采用預先凹槽處理的固體靶與少周期的超短脈沖作用,可以產生高強度的單個阿秒渦旋脈沖。這為手性結構等材料的超快探測提供了一種可能的優良光源。

  相關工作得到國家自然科學基金委、中科院國際人才項目以及中科院B類先導專項的支持。
  
圖1 圓偏振光轉化為渦旋光的原理圖和單個阿秒渦旋脈沖的空間結構示意圖
圖2 三階諧波的相位結構以及強度分布

來源: 上海光學精密機械研究所

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