近期，上海光机所强场激光物理国家重点实验室发现利用相对论强度的圆偏振激光与固体靶作用可以产生高强度的携带有轨道角动量的表面高次谐波，并揭示出其中的物理本质是光的自旋角动量转化为轨道角动量，且根据这个新物理提出了一种产生单个阿秒涡旋脉冲的方案。相关成果发表在［Nature Communications， 10， 5554 （2019）］。

具有螺旋相位的光场因为携带有轨道角动量而被称之为涡旋光。轨道角动量与自旋角动量一同构成了相干光场的角动量属性，涡旋光在光学成像、光子操控和光通信上已经展现出重要的应用前景。目前，产生低强度的涡旋光可以借助螺旋相位板或光栅来实现，但是对于探测成像所需的紫外波段的涡旋光，尤其是高强度的紫外涡旋光，产生的难度仍然很大。

该项研究中，科研人员发现将相对论强度的圆偏振激光垂直入射到固体靶表面时，可以让平面靶的表面发生形变而形成一个凹槽结构。该凹槽结构使得垂直入射的非轴上的光变成了斜入射，从而能有效的振荡等离子体表面，进而产生表面高次谐波辐射。更为有趣的是该等离子体振荡相位取决于等离子体所在的方位角，从而将轨道角动量引入到产生的高次谐波辐射中。进一步分析发现，谐波中光子的轨道角动量是由多个驱动光子的自旋角动量转化而来，而且该转化过程满足角动量守恒定律。

该项研究工作，突破了之前难以通过光学器件产生高强度涡旋光的限制，使得利用目前已有的拍瓦级强激光和固体靶直接作用来产生相对论强度的涡旋光场成为可能。科研人员进一步提出，如果采用预先凹槽处理的固体靶与少周期的超短脉冲作用，可以产生高强度的单个阿秒涡旋脉冲。这为手性结构等材料的超快探测提供了一种可能的优良光源。

相关工作得到了国家自然科学基金委、中科院国际人才项目以及中科院B类先导专项的支持。

图1 圆偏振光转化为涡旋光的原理图和单个阿秒涡旋脉冲的空间结构示意图



图2 三阶谐波的相位结构以及强度分布