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在攜帶有角動量的電磁孤子研究方麵獲新進展。研究團隊提出一種利用相對論強度的圓偏振激光與(yu) 等離子體(ti) 相互作用產(chan) 生攜帶有軌道角動量的電磁孤子的方案，並揭示出其中的物理本質是光的自旋角動量轉化為(wei) 軌道角動量。相關(guan) 成果近日發表於(yu) 《光學快報》。

渦旋在自然界無處不在，從(cong) 宇宙中的星係到木星的大紅斑，從(cong) 地球上的台風到液氮中的量子渦旋，其中包含複雜的非線性過程。渦旋不僅(jin) 表現在物質結構中，而且還表現在電磁場的結構中，比如渦旋光。具有軌道角動量的渦旋光在顯微成像、光通信、粒子操縱、光學捕獲及光鑷等領域發揮了重要作用。迄今為(wei) 止，渦旋光主要通過螺旋相位板、相控天線陣列以及空間光調製器產(chan) 生。另外，光子不僅(jin) 可以攜帶軌道角動量，還具有與(yu) 偏振相關(guan) 的自旋角動量，利用一些光學元件可以實現光場的自旋角動量到軌道角動量的轉化。另一方麵，電磁孤子作為(wei) 激光等離子體(ti) 相互作用中一種特殊現象被廣泛研究。在電磁孤子結構中，入射激光能量被捕獲在等離子體(ti) 內(nei) ，形成一個(ge) 穩定的電磁波包的結構。如果對這種穩定的電磁結構加以調控，將會(hui) 產(chan) 生更多潛在的應用。

在這項研究中，研究人員發現將圓偏振激光入射到低密度等離子體(ti) 中時，可以在等離子體(ti) 內(nei) 部實現自旋角動量到軌道角動量的轉換，形成攜帶角動量的電磁孤子。在圓偏振激光進入到等離子體(ti) 的過程中，在激光離軸處的等離子體(ti) 會(hui) 產(chan) 生軸向震蕩，正是這種軸向震蕩在角動量轉換過程中起到了重要作用。由圓偏振激光驅動的攜帶有角動量的電磁孤子揭示了諸如時空和偏振對稱性破缺等特性，並為(wei) 激光與(yu) 等離子體(ti) 相互作用及角動量轉換提供了深入理解。