携带轨道角动量的光，常被称作涡旋光。在弱光领域，涡旋光已得到了广泛的研究，比如涡旋光用于光通信和光捕获。强涡旋光与等离子体相互作用领域，相比而言研究较少。近十年来，全世界都针对涡旋光的科学与应用问题进行了研究。
中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系的时银教授、上海师范大学物理系的沈百飞研究员等在Science China-Physics, Mechanics & Astronomy上发表综述文章“Advances in laser-plasma interactions using intense vortex laser beams”，总结了强涡旋光等离子体物理领域的研究。
文章介绍了涡旋光束的几种生成方法。方法之一是使用特殊的光学元件，如螺旋相位板（SPP）、计算机生成的全息图（CGH）和q-板。这些元件可以通过改变入射光的相位分布来生成涡旋光束。方法之二，利用空间光调制器（SLM），通过编程动态地生成不同的涡旋光束模式，由此可以在实验中实时调整涡旋光束的拓扑荷数和其他参数。方法之三，利用衍射光学元件（DOE）通过衍射效应生成涡旋光束，具有高效率和高稳定性，可用于生成复杂的涡旋光束模式，如高阶涡旋光束。方法之四，通过在激光腔内引入特定的光学元件，可以在输出光束中直接获得涡旋结构。尽管方法不少，但生成高质量、高强涡旋光束仍然面临许多技术挑战，如光束质量控制、高激光强度下的稳定性等。需要开发新型的诊断方法，以更好地理解和表征高强涡旋光束的结构和行为。
图1 生成具有螺旋波前的激光束的装置（b），通过将具有平面波前的激光束（a）反射到所谓的“光扇”（c）上来实现。
由于涡旋光具有诸多独特性质，其与等离子体相互作用会产生新现象，并带来不同的应用。例如，涡旋光携带轨道角动量（OAM），OAM在等离子体中被吸收，导致电子旋转运动，进而产生自生磁场。涡旋光束的横向和纵向场的空间分离可以减少相对论自聚焦效应，从而提高电子加速效率。涡旋光束的空心强度分布可以减少激光-等离子体相互作用中的某些不稳定性，如Weibel不稳定性，这为实现更稳定的等离子体状态提供了可能性。涡旋光束与等离子体相互作用时，可以生成携带OAM的高能光子，这些光子在等离子体中传播时，可以进一步引发新的物理现象。
图2 通过激光-等离子体相互作用生成携带OAM的γ射线光子的示意图。(a)相互作用前的初始设置，包括CP LG10激光（红色）和等离子体靶（蓝色）。(b)相互作用后的快照，显示了激光（红色）、电子（蓝色）和在相互作用过程中发射的γ射线光子（黄色）
文章还专门提到弹簧光（light spring)与等离子体的相互作用。利用多个特定选择的拉盖尔-高斯（LG）激光束创造时空耦合激光束，与等离子体相互作用能产生新现象。例如，LS束可以驱动扭曲的等离子体加速器，通过调整LS的属性，可以调节扭曲尾波场的相速度。这种加速不仅提高了电子的能量增益，还改善了捕获效率，超越了平面尾波场所能提供的效果。另外，时空涡旋光束（Spatiotemporal Vortex Beam, STOV）与等离子体相互作用也会产生新现象，例如，通过线性偏振相对论STOV脉冲照射固体等离子体靶来生成携带横向角动量（TOAM）的时空高次谐波。
文章最后展望了四个涉及涡旋光束的有前景的领域。低发散度粒子加速：由于涡旋光束的特殊性质，直接由激光驱动的电子的发散度可能会减少，从而提高电子加速的性能。生成携带OAM的高能光子：涡旋激光与电子束碰撞时的逆康普顿散射，可生成携带OAM的X射线和γ射线光束，在原子和核物理领域有重要用途。生成强磁场：高强度涡旋激光可以将其轴向OAM转移到等离子体，从而通过逆法拉第效应提供生成强等离子体磁场的工具。不稳定性抑制：光弹簧可以用来引入角向不相干性，这可以视为空间不相干性的一个新控制旋钮，也是抑制不稳定性的一个潜在途径。这些研究有望为粒子加速、可控核聚变和基础等离子体研究带来新的思路和潜在应用。
[点击下方链接阅读原文]
Y. Shi, X. Zhang, A. Arefiev, and B. Shen, Advances in laser-plasma interactions using intense vortex laser beams, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 67, 295201 (2024), https://doi.org/10.1007/s11433-024-2422-2
