时银 (上海光机所 yshi@siom.ac.cn)

图1，光扇。

  
  相对论的平面激光脉冲与“光扇”结构固体靶相互作用，反射出相对论强度的涡旋激光脉冲。后者携带有很高的角动量密度，而等离子体也获得同量反向的轨道角动量。

　　光子可以推动航天器(图二)，这种看似科幻式的想象有个形象的名字叫做光帆。在如今的科研前沿，相对论的超强超快激光可以被用来推动电子层运动，从而加速质子。这也被称之为光压加速。

图二，光帆推动宇航器。

　　光子除了有一般的线性动量外，也有角动量。后者包括自旋角动量和轨道角动量，可以分别类似对应到地球的自转和地球绕太阳的公转。这在较弱的激光物质相互作用领域已经被理论和实验大量研究，而且有一些实际的应用比如光镊。但如果光强到达相对论强度，原子会被迅速电离为等离子体状态。其中电子在激光场中的振荡速度可以非常接近光速，许多相对论效应都会出现。比如非线性效应导致的高次谐波。

　　如果我们将相对论强度的激光直接照射在特殊结构的固体薄靶上，那么靶材表面产生的特殊结构等离子体也会让参与作用的激光改变结构(图一)。模拟和理论结果显示反射光变成一种携带轨道角动量的相对论量级的涡旋光束。这种光束的波前相位面呈现出一种涡旋的扭曲面，通过麦克斯韦方程的光波理论可以预计这种形式的光束将携带一定的轨道角动量。靶材内的等离子体物质同时可获得等量反向的轨道角动量(相关的模拟动画可见。



   当然这并非题目中所说的真的“转动”了，而是指根据对等离子体所有粒子统计得到的净轨道角动量。但即使这样，得到的相对论涡旋光和在相对论激光等离子体中对角动量效应的首次强调也很有意义。

　　比如我们已经利用现有的相对论强激光技术在几个微米的尺度下加速出了几个GeV的电子束，这在能量上已经可以媲美现有的几公里尺寸的传统加速器了(比如上海光源)，被称之为激光等离子体尾波加速器。但已有光源与等离子体相互作用产生的独特场结构也让加速正电子或带正电荷的离子变得很困难。一个重要原因就是，加速过程中横向的力分布不再是汇聚的(对于负电荷的电子是汇聚的，但对于正电荷的离子就是发散的了)。而上海光机所强光实验室的沈百飞小组与国际上的其他小组都提出了利用涡旋光与等离子体相互作用产生的独特结构来有效加速正电荷的离子。

　　由于在天体环境中，自旋与公转几乎是比单一方向的运动更普遍的现象。而自转和公转更多在机械引力范围进行考虑，但我们获得遥远时空处的信息却更多是通过不同频段的辐射。这提供了天文学家几乎所有关于宇宙的信息。除此之外，在黑洞与中子星等极端环境下，辐射能与物质能达到可比的程度。辐射甚至会影响天体的机械运动。而这些平衡运动中，无不关系到角动量。至今，角动量在光与物质的相互作用中扮演何种角色仍然需要更多研究。如果说线性动量守恒是时空平移不变(或叫对称)的结果，那么角动量守恒就是自旋和公转保持不变的结果。我们不清楚来自遥远宇宙的超新星爆炸产生的高能粒子到达地球与我们细胞中的DNA相互作用时，是否有角动量参与作用。也不知道在黑洞与中子星的极端条件下，是否仍然存在一种角动量的守恒。宇宙环境的某些各向同性又与产生之初的角动量分布有没有关系?如果我们在实验室条件下可以得到相对论量级的涡旋光束，那么就可以在实验室里更加可靠地模拟一些天体环境和研究角动量的影响。不仅如此，如果这种相对论的强激光可以被想象用作加速飞行器，那么同样强度的涡旋光就有可能对飞行器进行复杂的空间方位调节。

　　发表的重要文章：

　　Yin Shi, Baifei Shen等 "Light fan driven by relativistic laser pulse." PhysRevLett.112.235001

　　phys.org (http://phys.org/news/2014-06-spiral-shaped-fan-laser-driven-plasma.html)，

　　Research Highlights of Nature Photonics

　　(http://www.nature.com/nphoton/journal/v8/n8/full/nphoton.2014.180.html)

　　和Science Foundation in China under the National Natural Science Foundation of China (NSFC) in Vol.22, No.2, 2014.

　　2014年中国重要光学成果奖

　　Xiaomei Zhang, Baifei Shen, Yin Shi等 Generation of Intense High-Order Vortex Harmonics. PhysRevLett.114.173901 (2015)

　　Reported in Research Highlights of Nature Photonics

　　(http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n6/full/nphoton.2015.97.html)

　　入选2015年中国重要光学成果推荐。