近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展研究團隊在超強超短激光驅動新型光鑷（相對論渦旋刀）操控粒子束研究中取得新進展。該研究團隊在三維PIC模擬中利用相對論圓偏振拉蓋爾—高斯激光第一次實現了新型光鑷——相對論“渦旋刀”，產生空間周期性分布的電子團簇。該研究成果1月14日在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters, 122,024801 (2019))。
2018年諾貝爾物理學獎分別頒給了A. Ashikin, G. Mourou 和D. Strickland，表彰他們在激光物理領域的突破性發明。1970年，A. Ashikin第一次發明光鑷技術并將其應用于生物學領域，實驗發現：利用連續激光的光壓可以實現微米量級粒子的加速和捕獲。1985年，G. Mourou和D. Strickland兩人則發明了啁啾脈沖放大（CPA）激光技術，開啟了相對論飛秒激光驅動等離子體相互作用的大門。這兩項都非常值得被授予諾貝爾獎，但它們之間并沒有那么緊密的聯系。
該項研究中，王文鵬等研究人員利用相對論圓偏振拉蓋爾—高斯LG01 (σz = -1)激光直接將傳統的弱光領域內的光鑷（1/2 NOBEL PRIZE）拓展到了相對論激光領域（1/2 NOBEL PRIZE），產生了新型光鑷——相對論“渦旋刀”。研究發現這種相對論渦旋刀（電場）可以在每個激光周期實現會聚和發散，從而可以驅動周期性電子團簇產生。文中提出的單粒子模型很好地解釋了模擬中電子團簇形成的原因，并且發現這種渦旋刀操控電子的行為依賴于LG激光中的軌道角動量參數l和自旋角動量參數σz。該相對論“渦旋刀”驅動操控的粒子束具有高電荷量、高準直性的特點且操控簡單，更容易獲得高品質束流，對粒子加速、超快電子衍射、超快電子成像、加速器中粒子注入、慣性約束聚變快點火、THz和X光輻射源產生等應用具有重要意義。
論文審稿人對該研究結果給予了高度評價：“通過利用LG激光和固體靶相互作用，作者發現了一種新的現象：作用過程中產生了準直的電子噴流，利用‘渦旋刀’這種新技術可以將電子噴流裁剪成超短電子團簇。文章選題十分新穎，研究內容會激發感興趣的物理學者去研究不同的領域，例如：光學、等離子體、加速器等。……這種電子團簇在相干輻射源產生等其他方面具有潛在的重要應用，值得讀者繼續挖掘研究。”
該項研究得到國家自然科學基金、中科院先導B類專項等的支持。
圖：相對論渦旋刀驅動產生周期性電子團簇
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