近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在超強(qiáng)激光與等離子體結(jié)構(gòu)靶相互作用的研究中取得進(jìn)展，首次提出等離子體中的粒子角動量振蕩效應(yīng)。這種效應(yīng)將會在與振蕩相關(guān)的物理過程（如THz和X光輻射、粒子加熱等）中帶來重要影響，為激光加速粒子提供了新的研究思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在[New Journal of Physics 21, 043022 (2019)]上。
拉蓋爾-高斯光束具有螺旋等相位面和中心相位奇點(diǎn)，從而攜帶一定的軌道角動量。光的軌道角動量在光學(xué)微操縱、量子糾纏、光學(xué)通信、天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著CPA技術(shù)將激光發(fā)提升到相對論強(qiáng)度，超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束也具備了極高的軌道角動量密度。螺旋相位板是一種光學(xué)厚度隨方位角螺旋上升的結(jié)構(gòu)靶，可對入射的高斯光束進(jìn)行相位調(diào)制，利用等離子體螺旋相位板就可以產(chǎn)生超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束。當(dāng)超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束與等離子體相互作用時，會產(chǎn)生許多新的物理效應(yīng)，如中空尾場、渦旋狀高次諧波和伽馬光子、反射光偏離、“渦旋刀”操縱粒子束等。
該研究中，科研人員將一束相對論強(qiáng)度的線偏振高斯光束正入射到兩個系列的等離子體螺旋相位板上。每個系列的螺旋相位板都能產(chǎn)生一定拓?fù)浜傻睦w爾-高斯光束。其中一個系列的螺旋相位板的厚度隨方位角單調(diào)上升（稱為SPF），而另一個系列的厚度隨方位角重復(fù)了多個周期（稱為MPF）。研究人員觀察到，在相互作用時，SPF中的粒子角動量會隨著時間而振蕩，而MPF卻無此現(xiàn)象。理論分析發(fā)現(xiàn)，角動量振蕩效應(yīng)由結(jié)構(gòu)靶表面的非對稱電場產(chǎn)生，并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)靶的表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)粒子角動量振蕩幅度的增強(qiáng)或減弱。螺旋相位板在振蕩過程中也會獲得一定的凈角動量，這表明高斯光束與結(jié)構(gòu)靶的相互作用可以對靶內(nèi)粒子進(jìn)行角向加速。并且產(chǎn)生的拉蓋爾-高斯光束的拓?fù)浜稍酱螅窍蚣铀俚男Ч驮矫黠@。這一研究成果對激光加速粒子提供了新的物理機(jī)制和研究思路，對涉及粒子加速的諸多領(lǐng)域都具有重要的指導(dǎo)意義。審稿人評價該研究工作“非常有趣和新穎，采用的模型有效地解釋了角動量振蕩行為”。
該項(xiàng)研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)（B類）科技專項(xiàng)等的支持。
圖1. 兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）的結(jié)構(gòu)圖
圖2. 用兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）產(chǎn)生具有不同拓?fù)浜傻臏u旋光束和靶內(nèi)粒子的角動量振蕩效應(yīng)
拉蓋爾-高斯光束具有螺旋等相位面和中心相位奇點(diǎn)，從而攜帶一定的軌道角動量。光的軌道角動量在光學(xué)微操縱、量子糾纏、光學(xué)通信、天體物理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著CPA技術(shù)將激光發(fā)提升到相對論強(qiáng)度，超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束也具備了極高的軌道角動量密度。螺旋相位板是一種光學(xué)厚度隨方位角螺旋上升的結(jié)構(gòu)靶，可對入射的高斯光束進(jìn)行相位調(diào)制，利用等離子體螺旋相位板就可以產(chǎn)生超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束。當(dāng)超強(qiáng)拉蓋爾-高斯光束與等離子體相互作用時，會產(chǎn)生許多新的物理效應(yīng)，如中空尾場、渦旋狀高次諧波和伽馬光子、反射光偏離、“渦旋刀”操縱粒子束等。
該研究中，科研人員將一束相對論強(qiáng)度的線偏振高斯光束正入射到兩個系列的等離子體螺旋相位板上。每個系列的螺旋相位板都能產(chǎn)生一定拓?fù)浜傻睦w爾-高斯光束。其中一個系列的螺旋相位板的厚度隨方位角單調(diào)上升（稱為SPF），而另一個系列的厚度隨方位角重復(fù)了多個周期（稱為MPF）。研究人員觀察到，在相互作用時，SPF中的粒子角動量會隨著時間而振蕩，而MPF卻無此現(xiàn)象。理論分析發(fā)現(xiàn)，角動量振蕩效應(yīng)由結(jié)構(gòu)靶表面的非對稱電場產(chǎn)生，并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)靶的表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)粒子角動量振蕩幅度的增強(qiáng)或減弱。螺旋相位板在振蕩過程中也會獲得一定的凈角動量，這表明高斯光束與結(jié)構(gòu)靶的相互作用可以對靶內(nèi)粒子進(jìn)行角向加速。并且產(chǎn)生的拉蓋爾-高斯光束的拓?fù)浜稍酱螅窍蚣铀俚男Ч驮矫黠@。這一研究成果對激光加速粒子提供了新的物理機(jī)制和研究思路，對涉及粒子加速的諸多領(lǐng)域都具有重要的指導(dǎo)意義。審稿人評價該研究工作“非常有趣和新穎，采用的模型有效地解釋了角動量振蕩行為”。
該項(xiàng)研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)（B類）科技專項(xiàng)等的支持。
圖1. 兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）的結(jié)構(gòu)圖
圖2. 用兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）產(chǎn)生具有不同拓?fù)浜傻臏u旋光束和靶內(nèi)粒子的角動量振蕩效應(yīng)
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