近日，上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院和暗物质物理全国重点实验室张杰院士、吴益鹏副教授团队在相对论结构光场产生与调控领域取得重要进展，系统研究了激光固体靶相互作用产生的强场高次谐波矢量光束及其阿秒脉冲特性。相关成果以“Generating intense attosecond pulses and vectorizing polarization states from laser plasma interactions”为题，在线发表于国际光学权威期刊《Optica》，并入选当期封面论文（图1）。
图1. 《Optica》当期封面图，展示了激光等离子体相互作用产生的四个典型的谐波矢量束，它们分别呈现出近平面或螺旋形波前，并具有独特的偏振图案、强度分布及角动量态。这些高次谐波矢量光束可用于合成孤立阿秒矢量脉冲，为实现角动量与偏振态完全可控的超快强场光与物质相互作用开辟了新途径。涡旋光与矢量光是结构光的两类典型代表。涡旋光携带螺旋相位波前与相位奇点，矢量光则具有空间变化的偏振态与偏振奇点。这类结构光在激光等离子体加速、激光核聚变、实验室天体物理等方向具有重要应用价值。例如，借助结构光场可在等离子体中激发拓扑可控的磁场，用以实验室模拟相对论喷流周边的螺旋磁场等极端天体磁结构。尽管低功率涡旋光与矢量光在可见光及近红外波段已可较易获得，但高功率条件下、尤其是极紫外与软X射线波段的短波结构光脉冲产生仍面临显著挑战。基于激光固体靶相互作用的高次谐波产生为获取结构化短波辐射提供了一条可行路径。近年来，利用该机制产生极紫外或软X射线涡旋光束的研究已取得一系列重要进展。然而，由于矢量光具有非常复杂的自旋和轨道角动量耦合关系及空间变化的偏振态，基于激光固体相互作用产生高强度短波矢量光的研究仍然十分有限。针对上述空白，该团队系统研究了相关物理过程。如图2所示，当一束近红外波长的高强度矢量光正入射到固体平面靶时，其纵向有质动力驱动靶表面近临界密度电子振荡，形成相对论振荡镜面。该振荡镜对入射矢量光进行反射和非线性调制，从而产生高次谐波矢量辐射。
图2. 激光固体靶相互作用产生强谐波矢量光束的示意图。左侧的切片图表示入射光和反射谐波矢量光在横向平面上的强度分布（黑白颜色）和偏振图案（红色箭头）。矢量光可视为两束携带相反自旋圆偏振、且拓扑荷分别为lL、lR的涡旋光的叠加。通过理论分析和三维模拟，研究团队发现，反射光中主要包含奇次谐波，且谐波矢量光束的轨道角动量和偏振图案完全由入射光的拓扑荷决定。如图3所示，谐波矢量光束的强度图案（黑白颜色）包含了其拓扑信息，对于q次谐波，强度图案中的瓣数为2qlV=q(lL+lR)。同时，谐波矢量光束的偏振图案（红色箭头）由参数lC=(lL-lR)/2决定，lC>0时图案呈现花状结构，lC<0时图案呈现网状结构，且偏振图案中径向线（蓝色实线）的数目满足N=|2(lC-1)|。
图3. 高次谐波矢量光束的特性。黑白颜色表示谐波矢量光束在横向平面内的强度分布，红色箭头表示电场矢量（偏振图案），蓝色实线标记了偏振图案中的径向线。该方案也为孤立阿秒矢量脉冲的产生提供了有效途径。当驱动光为近单周期脉冲时，滤波后可获得290as的孤立阿秒矢量脉冲。对较长驱动脉冲，研究团队提出一种新的“矢量极化门”技术。在正入射平面靶的情况下，若组成矢量光的两个圆偏振涡旋光存在适当时延，则谐波仅在两束重叠区域内产生。如图4所示，当入射光脉冲长度为33fs, 时延为23fs时，滤波之后可以获得420as的单个孤立阿秒脉冲，该脉冲同时具有螺旋形波前和空间变化的偏振图案。
图4. 由矢量极化门技术产生的孤立阿秒矢量脉冲。(a-c)入射脉冲的电场在不同纵向位置处的横向分布；(d)反射光滤波后的强度等值面；(e)过滤场强度分布的线图；(f)过滤场强度的横向分布，红色箭头表示电场矢量。该工作为极紫外和软X射线波段光场轨道角动量与偏振自由度的协同调控开辟了全新路径，也为探索光与物质相互作用的新领域提供了全新技术支撑。论文第一作者为上海交通大学李政道研究所博士后耿盼飞，通讯作者为副教授吴益鹏。相关合作者还包括上海交通大学博士生樊志鑫、陈民教授、易龙卿副教授、远晓辉研究员、盛政明教授和张杰院士，以及美国加州大学洛杉矶分校Warren B. Mori教授和Chan Joshi教授。该研究得到国家自然科学基金委员会、教育部基础学科和交叉学科突破计划、上海市科学技术委员会以及美国能源部等项目的资助和支持。论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.581855 作者： 李政道研究所 供稿单位： 李政道研究所
