微觀粒子的自旋角動量和軌道角動量是描述粒子復雜動力學行為中最基本的兩個物理量，這兩個角動量之間的耦合普遍存在于自然界之中。光子的自旋-軌道相互作用，在光與物質相互作用的研究以及應用中具有舉足輕重的意義。光子的自旋-軌道相互作用可以分為自旋-軌道轉換和軌道-自旋轉換。光子的自旋-軌道轉換在近十年來得到廣泛的研究，然而它的逆過程——軌道-自旋轉換至今仍未在實驗中得到很好的觀測和調控。
隨著超短脈沖激光技術的飛速發展，超強飛秒激光的光場能量在時空中的高度集中，使得聚焦后的激光場強度可以遠遠超過原子內部庫侖場（I>1016W/cm2）。對于如此強的激光場的自旋態-軌道態及其耦合，可以調控強光與物質的許多非線性相互作用過程。但由于巨大的光子能量密度，傳統的光學方法，譬如近場重構技術，在強場領域已經完全失效，揭示強激光場中光子的自旋-軌道相互作用是一個沒有解決且非常重要的問題。
上：光場的軌道-自旋相互作用及光電子成像實驗示意；下：實驗結果及理論模擬
人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士等結合高分辨光電子成像技術，對光場調控對強激光場中光子自旋軌道相互作用進行了開創性研究。他們利用超結構波片和螺旋相位板將平面波制備成徑向偏振的光渦旋，并借助狹縫控制光場的空間形狀，在此過程中，光子始終只具有軌道角動量而不具有自旋角動量。進一步，將得到的合成結構光場進行聚焦，通過理論模擬，他們發現焦點的光場會耦合出自旋角動量。他們借助光電離這一非線性過程對超強激光光場的軌道角動量和自旋角動量轉換進行表征。通過冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（COLTRIMS）實驗裝置，測量結構光場與Xe原子相互作用的光電子動量分布。實驗發現，通過控制狹縫間距，Xe原子電離產生的光電子動量分布會隨著狹縫間距的減小發生明顯變化，光電子動量分布逐漸從類似于圓偏光場作用形成的光電子動量分布【M. M. Liu et al.，Phys. Rev. Lett. 120, 043201（2018）】, 逐漸變成了類似線偏光作用下形成的光電子動量分布【M. Li et al.，Phys. Rev. Lett. 023006 （2013）】。實驗結果直接證明了結構光場發生了軌道自旋轉化，轉化得到的自旋角動量通過光電子動量得到了非常直觀的體現。實現強激光場光子軌道角動量-自旋角動量的轉換，可以廣泛應用于產生具有高軌道態、自旋態可控的極紫外光子束和電子束等。
相關研究以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields”為題于近日發表在《自然·光子學》上。研究論文第一作者是博士生方一奇，研究工作得到了國家自然科學基金委、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、教育部納光電子前沿研究中心、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。
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