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實驗室在攜帶有角動量的電磁孤子研究方面獲新進(jìn)展。研究團(tuán)隊提出一種利用相對論強(qiáng)度的圓偏振激光與等離子體相互作用產(chǎn)生攜帶有軌道角動量的電磁孤子的方案，并揭示出其中的物理本質(zhì)是光的自旋角動量轉(zhuǎn)化為軌道角動量。相關(guān)成果近日發(fā)表于《光學(xué)快報》。

渦旋在自然界無處不在，從宇宙中的星系到木星的大紅斑，從地球上的臺風(fēng)到液氮中的量子渦旋，其中包含復(fù)雜的非線性過程。渦旋不僅表現(xiàn)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，而且還表現(xiàn)在電磁場的結(jié)構(gòu)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(xué)捕獲及光鑷等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。迄今為止，渦旋光主要通過螺旋相位板、相控天線陣列以及空間光調(diào)制器產(chǎn)生。另外，光子不僅可以攜帶軌道角動量，還具有與偏振相關(guān)的自旋角動量，利用一些光學(xué)元件可以實現(xiàn)光場的自旋角動量到軌道角動量的轉(zhuǎn)化。另一方面，電磁孤子作為激光等離子體相互作用中一種特殊現(xiàn)象被廣泛研究。在電磁孤子結(jié)構(gòu)中，入射激光能量被捕獲在等離子體內(nèi)，形成一個穩(wěn)定的電磁波包的結(jié)構(gòu)。如果對這種穩(wěn)定的電磁結(jié)構(gòu)加以調(diào)控，將會產(chǎn)生更多潛在的應(yīng)用。

在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)將圓偏振激光入射到低密度等離子體中時，可以在等離子體內(nèi)部實現(xiàn)自旋角動量到軌道角動量的轉(zhuǎn)換，形成攜帶角動量的電磁孤子。在圓偏振激光進(jìn)入到等離子體的過程中，在激光離軸處的等離子體會產(chǎn)生軸向震蕩，正是這種軸向震蕩在角動量轉(zhuǎn)換過程中起到了重要作用。由圓偏振激光驅(qū)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，并為激光與等離子體相互作用及角動量轉(zhuǎn)換提供了深入理解。