超強激光碟機動等離子體結構靶研究獲進展

近期，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超強激光與等離子體結構靶相互作用的研究中取得進展，首次提出等離子體中的粒子角動量振蕩效應。這種效應將會在與振蕩相關的物理過程（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。相關研究成果發表在[New Journal of Physics21, 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，從而攜帶一定的軌道角動量。光的軌道角動量在光學微操縱、量子糾纏、光學通信、天體物理等領域具有廣泛的應用。近年來，隨著CPA技術將激光發提升到相對論強度，超強拉蓋爾-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厚度隨方位角螺旋上升的結構靶，可對入射的高斯光束進行相位調製，利用等離子體螺旋相位板就可以產生超強拉蓋爾-高斯光束。當超強拉蓋爾-高斯光束與等離子體相互作用時，會產生許多新的物理效應，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生一定拓撲荷的拉蓋爾-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上升（稱為SPF），而另一個系列的厚度隨方位角重複了多個周期（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卻無此現象。理論分析發現，角動量振蕩效應由結構靶表面的非對稱電場產生，並且通過調整結構靶的表面結構可以實現粒子角動量振蕩幅度的增強或減弱。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構靶的相互作用可以對靶內粒子進行角向加速。並且產生的拉蓋爾-高斯光束的拓撲荷越大，角向加速的效果就越明顯。這一研究成果對激光加速粒子提供了新的物理機制和研究思路，對涉及粒子加速的諸多領域都具有重要的指導意義。審稿人評價該研究工作「非常有趣和新穎，採用的模型有效地解釋了角動量振蕩行為」。

該項研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先導（B類）科技專項等的支持。

圖1. 兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）的結構圖

圖2. 用兩個不同系列的等離子體螺旋相位板（SPF和MPF）產生具有不同拓撲荷的渦旋光束和靶內粒子的角動量振蕩效應

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所

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