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超强激光科学卓越创新简报

(第七百八十五期)

2026年6月16日

上海光机所在涡旋激光驱动QED真空光-光散射方面取得新进展

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与中山大学合作，在超强涡旋激光驱动非线性QED真空光-光散射效应方面取得新进展。相关成果以“Super light-by-light scattering in vacuum induced by intense vortex lasers”为题，发表于Communications Physics。

量子场论表明真空中时时处处充满了虚粒子对的量子涨落。在超强电磁场激发下，虚正负电子对的响应会诱导真空表现为很弱的非线性各向异性介质属性，该现象被称为非线性QED真空极化。真空极化效应对揭示强场下的真空本质有重大意义。由于真空极化的强度极其弱，该效应自20世纪30年代理论提出至今尚未被实验验证。目前主流观点认为最有希望探测QED真空极化效应的方案是利用超强超短激光作为驱动源，结合X射线自由电子激光（XFEL）作为探针。然而，受限于真空极化自身的物理特性，几乎所有的QED真空极化实验方案都面临一个挑战性问题：在当前的实验技术下，信号光子的数量与信噪比都很低，且二者难以兼顾，导致实验信号的探测（特别是单发测量）具有极大困难。

为解决以上困难，研究团队提出了新的实验方案：利用特殊的螺旋相位板将驱动激光脉冲调制为双模涡旋模式，再与XFEL对撞产生真空光-光散射。该方案可以打开轨道角动量依赖的新散射通道，使散射光子数量明显提升。由于受激光场局域涡旋相位梯度力的作用，信号光子散射后将获得额外的切向动量，我们称之为“超级光-光散射”。超级光-光散射可以使信号光子被自动踢出XFEL探针背景，在探针两侧形成明显的旁瓣信号，从而显著提升了信噪比。

与传统的QED真空双折射实验方案不同，超级光-光散射的实验测量主要依赖于信号光子横向动量的变化而非极化的改变，可以很大程度上降低对X光极化仪的要求，甚至不使用极化仪，从而消除了极化仪对信号的衰减。因此，超级光-光散射方案可以同时在信号光子数目和信噪比两方面实现优化与提升。

研究团队基于理论计算和数值模拟发现，在100PW驱动激光作用下，单发信号光子数可能超过100个，且信噪比也超过100，这相较于传统实验方案有明显提升，甚至可能实现单发次测量。为了实现超级光-光散射的实验方案，团队还设计了利用双圈螺旋相位板反射强激光脉冲产生双模涡旋激光的技术方法。相位板分内外两圈，具有相同的相位台阶数，但相反的螺旋方向，可以产生角动量大小相同但方向相反的两种涡旋模式的叠加，从而诱导出超级光-光散射效应。该方案的有效性也通过PIC模拟被证实。本研究的相关成果为实验验证非线性QED真空极化现象提供了全新的实验方案和充分的理论基础。

相关研究得到国家自然科学基金委、中国科学院先导专项（B类）、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划等项目支持。

原文链接

图1. 超级光-光散射原理示意图

图2. a 超级光-光散射Feynman图；b 散射信号光子横向动量分布；信号光子切向动量分布及信噪比

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