具有时变轨道角动量的极紫外光束：光的自扭矩

来源：ScienceAAAS

评述论文：Generation of extreme-ultraviolet beams with time-varying orbital angular momentum (Science 28 June 2019: Vol 364, Issue 9486)

自1992年首次发现光的轨道角动量（OAM）以来[1],研究人员发现这种具有轨道角动量性质的激光束（涡旋光场）可以应用于多个领域，例如，光学计量、光通信、量子信息和量子通信、光力操纵和超分辨成像等[2]。

物理上光可以用于传输能量和动量，其动量部分包括线性动量和角动量。光的角动量又分为自旋角动量S（偏振）和轨道角动量（与光子空间分布相关）。其中，光的自旋角动量是内禀的，与光子的空间自由度无关，而光的轨道角动量则源自于光场的空间分布，表征了光场相位与角度自由度的关系。

然而，到目前为止，OAM光束的产生和应用都是静态的，也就是说，其中光束的OAM态是不随时间变化的。在本期科学杂志中，科研人员从理论和实验上利用高次谐波（HHG）的高度非线性和非微扰过程，首次在光场中获得时间相关的OAM。在该工作中，这种全新的光场特性在极紫外（EUV）涡旋光束中得以首次实现。

图1. EUV光场自扭矩产生原理

如图1所示，为了产生具有自扭矩的光束，研究人员将一对波长为800nm，脉宽约10 fs，具有不同拓扑量子数（分别为l1= 1和l2= 2）的涡旋光束入射到氩气中产生HHG。不同拓扑量子数的两个光脉冲之间具有一定的时间延迟，延迟量约为各自的脉冲宽度~10fs。当这些脉冲在HHG过程中被上转换之后，其产生的EUV脉冲便会具有随时间变化的OAM。通过从HHG谱中分离出特定的单个谐波（q），可以很容易地观察到HHG脉冲中OAM的动态变化（图1右下角）。对于q= 17, OAM谱的变化是单调和连续的，并覆盖了ql1= 17 到ql2= 34之间所有的中间值，从而产生1.32fs-1的自扭矩。

图2. 自扭矩光场的确定

为了实验上确定高次谐波自扭矩OAM谱的超快变化，研究人员利用了具有自扭矩光束固有的物理特性。首先，研究人员注意到HHG的非微扰性质导致关于OAM通道分布的独特的统计权重，比如，每一个时刻只有少数OAM通道对高次谐波的亮度有明显贡献。这种效应导致月牙形EUV光束的出现，并很容易在理论（图2a）和实验（图2b）上捕捉到。

其次，研究人员注意到，对于一个涡旋光场，与随时间变化的OAM相关的相位由lq(t)f给出，其中f为方位角。由于光波的瞬时频率是由其相位的含时变化给出的，因此自扭矩会使产生的谐波具有方位角频率啁啾效应。这种在自扭矩光束中存在的时变方位角相位的时间-频率映射为量化和操控阿秒级自扭矩提供了直接的实验手段。在图2c、e（理论）和2d、f（实验）中，研究人员给出了由两组不同拓扑量子数（1和2）并具有一定时间延迟的涡旋光脉冲激发的HHG谱的方位角分布，理论和实验吻合的很好。在图2g和2h中，研究人员还分别给出了17次谐波和19次谐波的自扭矩的实验值和理论值，证实了对自扭矩EUV光束的产生和操纵。

该工作首次证明了可以产生和操控具有随时间变化的OAM的光束。这种光束所表现出的自扭转特性为控制光-物质相互作用开启了新途径。

参考文献：

1. L. Allen, M. W. Beijersbergen, R. J. C. Spreeuw, and J. P. Wooerdman, Orbital angular momentum of light and transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys. Rev. A 45, 8185 (1992).

2. A. M. Yao and M. J. Padgett, Orbital angular momentum: origins, behavior and applications. Adv. Opt. Photonics 3, 161-204 (2011).