微觀粒子的自旋角動量和軌道角動量是描述粒子復(fù)雜動力學(xué)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(zhì)相互作用的研究以及應(yīng)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(zhuǎn)換和軌道-自旋轉(zhuǎn)換。光子的自旋-軌道轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換至今仍未在實(shí)驗(yàn)中得到很好的觀測和調(diào)控。
隨著超短脈沖激光技術(shù)的飛速發(fā)展，超強(qiáng)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(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原子內(nèi)部庫侖場（I>1016W/cm2）。對于如此強(qiáng)的激光場的自旋態(tài)-軌道態(tài)及其耦合，可以調(diào)控強(qiáng)光與物質(zhì)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(tǒng)的光學(xué)方法，譬如近場重構(gòu)技術(shù)，在強(qiáng)場領(lǐng)域已經(jīng)完全失效，揭示強(qiáng)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(shí)驗(yàn)示意；
下：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論模擬
人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”劉運(yùn)全教授和龔旗煌院士等結(jié)合高分辨光電子成像技術(shù)，對光場調(diào)控對強(qiáng)激光場中光子自旋軌道相互作用進(jìn)行了開創(chuàng)性研究。他們利用超結(jié)構(gòu)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(jìn)一步，將得到的合成結(jié)構(gòu)光場進(jìn)行聚焦，通過理論模擬，他們發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)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(qiáng)激光光場的軌道角動量和自旋角動量轉(zhuǎn)換進(jìn)行表征。通過冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（COLTRIMS）實(shí)驗(yàn)裝置，測量結(jié)構(gòu)光場與Xe原子相互作用的光電子動量分布。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過控制狹縫間距，Xe原子電離產(chǎn)生的光電子動量分布會隨著狹縫間距的減小發(fā)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(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了結(jié)構(gòu)光場發(fā)生了軌道自旋轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)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(xiàn)。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光場光子軌道角動量-自旋角動量的轉(zhuǎn)換，可以廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生具有高軌道態(tài)、自旋態(tài)可控的極紫外光子束和電子束等。
相關(guān)研究以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields”為題于近日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》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(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、教育部納光電子前沿研究中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
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