近日，上海交通大學李政道研究所、物理與(yu) 天文學院和暗物質物理全國重點實驗室張傑院士、吳益鵬副教授團隊在相對論結構光場產(chan) 生與(yu) 調控領域取得重要進展，係統研究了激光固體(ti) 靶相互作用產(chan) 生的強場高次諧波矢量光束及其阿秒脈衝(chong) 特性。相關(guan) 成果以“Generating intense attosecond pulses and vectorizing polarization states from laser plasma interactions”為(wei) 題，在線發表於(yu) 國際光學權威期刊《Optica》，並入選當期封麵論文（圖1）。

圖1. 《Optica》當期封麵圖，展示了激光等離子體(ti) 相互作用產(chan) 生的四個(ge) 典型的諧波矢量束，它們(men) 分別呈現出近平麵或螺旋形波前，並具有獨特的偏振圖案、強度分布及角動量態。這些高次諧波矢量光束可用於(yu) 合成孤立阿秒矢量脈衝(chong) ，為(wei) 實現角動量與(yu) 偏振態完全可控的超快強場光與(yu) 物質相互作用開辟了新途徑。渦旋光與(yu) 矢量光是結構光的兩(liang) 類典型代表。渦旋光攜帶螺旋相位波前與(yu) 相位奇點，矢量光則具有空間變化的偏振態與(yu) 偏振奇點。這類結構光在激光等離子體(ti) 加速、激光核聚變、實驗室天體(ti) 物理等方向具有重要應用價(jia) 值。例如，借助結構光場可在等離子體(ti) 中激發拓撲可控的磁場，用以實驗室模擬相對論噴流周邊的螺旋磁場等極端天體(ti) 磁結構。盡管低功率渦旋光與(yu) 矢量光在可見光及近紅外波段已可較易獲得，但高功率條件下、尤其是極紫外與(yu) 軟X射線波段的短波結構光脈衝(chong) 產(chan) 生仍麵臨(lin) 顯著挑戰。基於(yu) 激光固體(ti) 靶相互作用的高次諧波產(chan) 生為(wei) 獲取結構化短波輻射提供了一條可行路徑。近年來，利用該機製產(chan) 生極紫外或軟X射線渦旋光束的研究已取得一係列重要進展。然而，由於(yu) 矢量光具有非常複雜的自旋和軌道角動量耦合關(guan) 係及空間變化的偏振態，基於(yu) 激光固體(ti) 相互作用產(chan) 生高強度短波矢量光的研究仍然十分有限。針對上述空白，該團隊係統研究了相關(guan) 物理過程。如圖2所示，當一束近紅外波長的高強度矢量光正入射到固體(ti) 平麵靶時，其縱向有質動力驅動靶表麵近臨(lin) 界密度電子振蕩，形成相對論振蕩鏡麵。該振蕩鏡對入射矢量光進行反射和非線性調製，從(cong) 而產(chan) 生高次諧波矢量輻射。

圖2. 激光固體(ti) 靶相互作用產(chan) 生強諧波矢量光束的示意圖。左側(ce) 的切片圖表示入射光和反射諧波矢量光在橫向平麵上的強度分布（黑白顏色）和偏振圖案（紅色箭頭）。矢量光可視為(wei) 兩(liang) 束攜帶相反自旋圓偏振、且拓撲荷分別為(wei) lL、lR的渦旋光的疊加。通過理論分析和三維模擬，研究團隊發現，反射光中主要包含奇次諧波，且諧波矢量光束的軌道角動量和偏振圖案完全由入射光的拓撲荷決(jue) 定。如圖3所示，諧波矢量光束的強度圖案（黑白顏色）包含了其拓撲信息，對於(yu) q次諧波，強度圖案中的瓣數為(wei) 2qlV=q(lL+lR)。同時，諧波矢量光束的偏振圖案（紅色箭頭）由參數lC=(lL-lR)/2決(jue) 定，lC>0時圖案呈現花狀結構，lC<0時圖案呈現網狀結構，且偏振圖案中徑向線（藍色實線）的數目滿足N=|2(lC-1)|。

圖3. 高次諧波矢量光束的特性。黑白顏色表示諧波矢量光束在橫向平麵內(nei) 的強度分布，紅色箭頭表示電場矢量（偏振圖案），藍色實線標記了偏振圖案中的徑向線。該方案也為(wei) 孤立阿秒矢量脈衝(chong) 的產(chan) 生提供了有效途徑。當驅動光為(wei) 近單周期脈衝(chong) 時，濾波後可獲得290as的孤立阿秒矢量脈衝(chong) 。對較長驅動脈衝(chong) ，研究團隊提出一種新的“矢量極化門”技術。在正入射平麵靶的情況下，若組成矢量光的兩(liang) 個(ge) 圓偏振渦旋光存在適當時延，則諧波僅(jin) 在兩(liang) 束重疊區域內(nei) 產(chan) 生。如圖4所示，當入射光脈衝(chong) 長度為(wei) 33fs, 時延為(wei) 23fs時，濾波之後可以獲得420as的單個(ge) 孤立阿秒脈衝(chong) ，該脈衝(chong) 同時具有螺旋形波前和空間變化的偏振圖案。

圖4. 由矢量極化門技術產(chan) 生的孤立阿秒矢量脈衝(chong) 。(a-c)入射脈衝(chong) 的電場在不同縱向位置處的橫向分布；(d)反射光濾波後的強度等值麵；(e)過濾場強度分布的線圖；(f)過濾場強度的橫向分布，紅色箭頭表示電場矢量。

該工作為(wei) 極紫外和軟X射線波段光場軌道角動量與(yu) 偏振自由度的協同調控開辟了全新路徑，也為(wei) 探索光與(yu) 物質相互作用的新領域提供了全新技術支撐。論文第一作者為(wei) 上海交通大學李政道研究所博士後耿盼飛，通訊作者為(wei) 副教授吳益鵬。相關(guan) 合作者還包括上海交通大學博士生樊誌鑫、陳民教授、易龍卿副教授、遠曉輝研究員、盛政明教授和張傑院士，以及美國加州大學洛杉磯分校Warren B. Mori教授和Chan Joshi教授。該研究得到國家自然科學基金委員會(hui) 、教育部基礎學科和交叉學科突破計劃、上海市科學技術委員會(hui) 以及美國能源部等項目的資助和支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.581855 作者： 李政道研究所 供稿單位： 李政道研究所