beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉運全教授課題組提出了基于超短高強度時空渦旋光束（Spatiotemporal Optical Vortex, STOV）獲得可控橫向軌道角動量極紫外高次諧波産生（High Harmonic Generation, HHG）的方法，發現時空渦旋光束産生諧波的特征光譜結構，揭示了其内在物理機制。2021年12月28日，相關研究成果以“控制高次諧波産生中光子的橫向軌道角動量”（Controlling photon transverse orbital angular momentum in high harmonic generation）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
光子的軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）是描述光子量子态的重要物理量之一。光子角動量的産生、測量和調控是光場調控研究的前沿，其所提供的光場自由度已被廣泛應用于超分辨成像、量子通信以及生物醫學等研究領域。其中，在超快激光科學領域，高次諧波産生（HHG）是重要的強場物理現象之一；超快強激光驅動的高次諧波是一種理想的超短相幹極紫外光源，在阿秒物理研究中扮演着十分重要的角色。
利用攜帶縱向軌道角動量的渦旋光場，驅動高次諧波産生（簡稱OAM-HHG），是制備和調控極紫外渦旋光束的重要手段。然而，在高次諧波産生過程中，由于電子的有質動力運動遠小于激光波長，在一定程度上限制了傳統OAM-HHG方案對極紫外光場的精細調控。最近，研究者在實驗上獲得了一種新奇的時空渦旋光束（STOV），該光束的橫向軌道角動量垂直于其傳播方向。這種時空渦旋光束的渦旋結構，處于時間-空間平面内（圖1(a)），為高次諧波極紫外光源的産生提供了一種全新且十分靈活的調控自由度。由此也引發了一系列需要解決的問題，譬如：光場的時空結構如何影響高次諧波輻射？橫向軌道角動量在高次諧波産生過程中遵循怎樣的守恒規律？……這些問題是探索強時空結構光場與物質相互作用的基礎。因此，揭示超短高強度時空渦旋光束驅動高次諧波産生過程的物理現象和本質，對于超快科學、光場調控以及光與物質相互作用等都非常重要。
beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉運全教授課題組研究了超短高強度時空渦旋光束驅動高次諧波産生（簡稱STOV-HHG）的物理過程，獲得了諧波輻射的特征光譜結構（圖1(c)），并揭示了其内在的物理機制。他們發現超短時空渦旋驅動光束的空間啁啾（圖1(b)），會使高次諧波光譜産生顯著的頻譜傾斜，再加上光束時空相位奇點對電子再碰撞時間的影響，高次諧波光譜中會産生獨特的幹涉結構；通過提取每一階諧波的時空強度分布和相位結構，總結出對于第n階諧波，光子的平均橫向軌道角動量滿足Ln=nℓℏ，其中ℓ為驅動光的時空拓撲荷數，ℏ為約化的普朗克常數。
課題組結合前期發展的精密時間-頻率雙色光場合成技術（Nat Photonics 15, 765–771(2021)），進一步提出了一種全新的反向自旋-反向渦旋的雙色時空渦旋光束，發現利用這種光束可以對極紫外光束的時空拓撲荷數進行有效調控，為實驗上産生可控橫向軌道角動量的極紫外光束提供了重要途徑（圖2）。這種光束有望應用于強激光場中光子自旋角動量和橫向軌道角動量之間相互作用的研究（Nat. Photonics 15, 115–120 (2021)）。
圖1 (a)STOV的時空電場結構；(b) STOV的時空頻譜結構；(c) STOV驅動HHG過程得到的特征光譜
圖2 (a)反向自旋-反向渦旋的雙色時空渦旋光束驅動産生的HHG譜；(b)極紫外STOV的時空強度分布；(c)極紫外STOV的時空相位分布
2021年12月28日，相關研究成果以“控制高次諧波産生中光子的橫向軌道角動量”（Controlling Photon Transverse Orbital Angular Momentum in High Harmonic Generation）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。beat365官方网站2017級博士研究生方一奇為第一作者，劉運全為通訊作者。
上述研究工作得到了國家自然科學基金委，及北京量子信息科學研究中心、極端光學協同創新中心和beat365長三角光電科學研究院等支持。
論文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.273901
