近日，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面取得進展。研究團隊提出一種利用相對論強度的圓偏振激光與等離子體相互作用作用產生攜帶有軌道角動量的電磁孤子的方案，并揭示其中的物理本質是光的自旋角動量轉化為軌道角動量。相關研究成果發(fā)表在《光學快報》（Optics Letters）上。

渦旋在自然界無處不在，從宇宙中的星系到木星的大紅斑，從地球上的臺風到液氮中的量子渦旋，包含復雜的非線性過程。渦旋表現(xiàn)在物質結構中，也表現(xiàn)在電磁場的結構中，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(fā)揮重要作用。迄今為止，渦旋光主要通過螺旋相位板、相控天線陣列及空間光調制器產生。另外，光子不僅可以攜帶軌道角動量，還具有與偏振相關的自旋角動量，利用一些光學元件可以實現(xiàn)光場的自旋角動量到軌道角動量的轉化。

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。在電磁孤子結構中，入射激光能量被捕獲在等離子體內，形成一個穩(wěn)定的電磁波包的結構。如果對這種穩(wěn)定的電磁結構加以調控，將會產生更多潛在的應用。

研究發(fā)現(xiàn)，將圓偏振激光入射到低密度等離子體中時，可以在等離子體內部實現(xiàn)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的過程中，在激光離軸處的等離子體會產生軸向震蕩，正是這種軸向震蕩在角動量轉換過程中起重要作用。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，并為激光與等離子體相互作用及角動量轉換提供了深入理解。

圖1.（a）不同時刻電子密度橫截面;（b）電子密度三維等值面

圖2.（a）-（d）不同時刻軸向電場分布；（e）軸向電場頻譜分布