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超强激光科学卓越创新简报

(第六百五十二期)

2025年5月23日

上海光机所在利用超强时空涡旋激光驱动携带横向轨道角动量的孤立阿秒γ脉冲产生方面取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室超强涡旋激光物理团队在利用相对论强度时空涡旋（STOV）激光驱动产生携带横向轨道角动量的孤立阿秒γ射线脉冲研究方面取得了进展，相关成果以“Isolated attosecond γ-ray pulse generation with transverse orbital angular momentum using intense spatiotemporal optical vortex lasers”为题，在Physical Review Applied上以Letter形式发表。

阿秒脉冲因其在物质研究与应用中的重要作用，于2023年荣获诺贝尔物理学奖。其中，孤立阿秒脉冲在实际应用中的独特优势受到广泛关注和研究。目前，基于高次谐波产生的孤立阿秒脉冲能量主要低于keV水平。而在一些特殊研究领域，如核物理，迫切需要利用MeV级别的脉冲以突破核间库仑势垒，激发反应。同时，为了深入理解核反应中的运动和机制，必须获得孤立且超短时间尺度（如阿秒级别）的脉冲。

该项研究将前期成功实现的超强空间涡旋激光技术[Phys. Rev. Lett. 122, 024801 (2019); Phys. Rev. Lett. 125, 34801 (2020)]拓展到时空涡旋（Spatiotemporal Optical Vortex，STOV）激光领域，实现了携带横向角动量的阿秒电子片的加速。此外，当STOV激光经过平面靶反射后，反射的激光前沿与电子脉冲发生碰撞，触发非线性康普顿散射过程，生成孤立的阿秒、高亮度γ射线脉冲。在这一过程中，STOV激光的横向角动量经电子传递给γ射线光子。该方法克服了传统高斯激光驱动下辐射源存在的发散角大、系统复杂（需双激光）等缺点，将横向轨道角动量引入到阿秒γ射线脉冲中，为超快成像、核激发以及探测等应用开辟了新的路径。

相关研究得到了中国科学院战略重点研究项目、国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金项目、中国科学院国际合作项目的支持。

原文链接

图1. 孤立阿秒γ射线脉冲产生原理图及激光场信息。

图2. 孤立阿秒γ射线脉冲及产生的QED过程分析。

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