近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在攜帶有角動(dòng)量的電磁孤子研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出一種利用相對(duì)論強(qiáng)度的圓偏振激光與等離子體相互作用作用產(chǎn)生攜帶有軌道角動(dòng)量的電磁孤子的方案，并揭示其中的物理本質(zhì)是光的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化為軌道角動(dòng)量。相關(guān)研究成果發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Letters）上。

渦旋在自然界無處不在，從宇宙中的星系到木星的大紅斑，從地球上的臺(tái)風(fēng)到液氮中的量子渦旋，包含復(fù)雜的非線性過程。渦旋表現(xiàn)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，也表現(xiàn)在電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)中，如渦旋光。具有軌道角動(dòng)量的渦旋光在顯微成像、光通信、粒子操縱、光學(xué)捕獲及光鑷等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。迄今為止，渦旋光主要通過螺旋相位板、相控天線陣列及空間光調(diào)制器產(chǎn)生。另外，光子不僅可以攜帶軌道角動(dòng)量，還具有與偏振相關(guān)的自旋角動(dòng)量，利用一些光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化。

電磁孤子作為激光等離子體相互作用中一種特殊現(xiàn)象被廣泛研究。在電磁孤子結(jié)構(gòu)中，入射激光能量被捕獲在等離子體內(nèi)，形成一個(gè)穩(wěn)定的電磁波包的結(jié)構(gòu)。如果對(duì)這種穩(wěn)定的電磁結(jié)構(gòu)加以調(diào)控，將會(huì)產(chǎn)生更多潛在的應(yīng)用。

研究發(fā)現(xiàn)，將圓偏振激光入射到低密度等離子體中時(shí)，可以在等離子體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自旋角動(dòng)量到軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)換，形成攜帶角動(dòng)量的電磁孤子。在圓偏振激光進(jìn)入到等離子體的過程中，在激光離軸處的等離子體會(huì)產(chǎn)生軸向震蕩，正是這種軸向震蕩在角動(dòng)量轉(zhuǎn)換過程中起重要作用。由圓偏振激光驅(qū)動(dòng)的攜帶有角動(dòng)量的電磁孤子揭示了諸如時(shí)空和偏振對(duì)稱性破缺等特性，并為激光與等離子體相互作用及角動(dòng)量轉(zhuǎn)換提供了深入理解。

圖1.（a）不同時(shí)刻電子密度橫截面;（b）電子密度三維等值面

圖2.（a）-（d）不同時(shí)刻軸向電場(chǎng)分布；（e）軸向電場(chǎng)頻譜分布