导读
近日，中国科学技术大学时银特任教授，上海师范大学沈百飞研究员、张晓梅研究员，和加州大学圣地亚戈Alexey Arefiev教授在期刊SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上受邀发表题为“Advances in laser-plasma interactions using intense vortex laser beams”(https://doi.org/10.1007/s11433-024-2422-2)的综述论文。文章从携带OAM的强涡旋光出发，回顾了相对论强涡旋光产生的理论方法与实验进展，讨论了强涡旋光、光弹簧和时空涡旋光与等离子体的相互作用，并探讨了强涡旋光的其他应用与未来的发展趋势。这里的高强度更多集中在相对论量级，即电子在激光场中的运动速度接近但无法超越真空光速，从而有望带来众多非线性效应和集体效应。
研究背景
涡旋光由于其涡旋的相位波前（如图1）、携带OAM、空心强度分布和空间分离的轴向场等特性。不同的特性可以以相应的方式改变激光与等离子体的相互作用，并产生丰富的现象和应用。
图1.（a）l=0、（b）l=1和（c）l=2的涡旋光束的等相位波前，箭头表示坡印廷矢量。
相对论强涡旋光的产生一直是热点问题，选择在聚焦前充当相位调制器的大型特殊反射镜，赋予光束随方位角变化的相位，是目前产生涡旋光束最方便的方法。然而，为PW级的激光系统添加光学镜片的成本以及寿命都需要考虑。啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification, CPA)系统内的涡旋放大是产生高质量和高功率涡旋光束的另一种选择。在高功率涡旋光的产生变得常规和可靠之前，使用“光扇”方案（如图2）成本和安全性都更具优势。
图2. 通过在"光扇"（c）上反射具有平面波面（a）的光束，产生具有涡旋波前（b）的激光束。
涡旋光与等离子体相互作用中，所携带的部分角动量（angular momentum, AM）不可避免的转移给等离子体。快速旋转的等离子体环境可以产生自生强磁场，对于高能量密度物理的研究很有意义。这种AM转移也可通过非线性效应，比如高次谐波效应，发生在不同频率的光子之间。尤其是携带OAM的x射线和γ射线，有着广泛的潜在应用，是欧洲ELI-NP机构感兴趣的热点。此外，等离子体波也可形成类似的携带OAM的涡旋形式，并可由涡旋光驱动产生。这有望加深我们对基础等离子体的理解。
由于涡旋波前的中心为相位奇点，轴上的光场消失，产生一个中空的、环形强度分布。这一特性被认为是在靶后鞘层加速（TNSA，Target Normal Sheath Acceleration）离子的实验和模拟中改善离子束品质的关键因素（Phys. Plasmas 22, 013105 (2015)）。涡旋光的轴向场可被理解为是略微倾斜的横向场沿轴线的分量（如图3），其大小约为横向场的十分之一左右，可对电子产生于有质动力同等量级的加速度，可用于直接加速电子（时银研究员在超强涡旋光应用方面取得重要进展）。另外，通过对角量子数l 与频率ω 进行调控，或者操控轨道角动量（OAM）的方向，均有望极大地拓展涡旋光的应用范围。
图3. 轴向场产生的示意图。
总结与展望
该综述论文总结了强涡旋光束技术在激光等离子体领域的最新研究进展。强涡旋光束具有高能量密度、高动量密度和高角动量密度等显着特性。在激光-等离子体相互作用过程中，能量、动量和角动量必须守恒。许多关键物理过程都是在遵循守恒定律的条件下进行讨论与研究。
强涡旋光有很多极具潜力的应用前景。在最后的展望中，我们给出了一些关键方向：低发散的粒子加速、抑制激光等离子体不稳定性、携带OAM的高能光子和强磁场产生。这些研究可能会对粒子加速和惯性约束聚变等高能量密度领域以及等离子体的基础理论产生贡献。
随着激光技术近二十年来的高速发展，我国的超短超强激光装置建设已经处于世界前列，为未来的研究提供了强大的技术支持。下一代大激光装置中，多模式（比如涡旋光模式）强激光，将与其他新型高功率激光技术比如低相干（比如宽频光）、多路协同（比如神光Ⅱ升级）等，共同为高能量密度物理带来更多可能。强涡旋光中的轨道角动量、中空强度分布在许多不同的研究领域都有出现，通过建立不同领域之间的联系，我们可以预见到将激发更多的创新研究路径。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s11433-024-2422-2