Controlled generation of high-harmonic spatiotemporal optical vortices

不要仅仅将光想象成一束直线光束，而要将其想象成一条旋转、扭曲的能量带。几十年来，科学家们已经知道光可以像陀螺一样旋转（自旋角动量），也可以像螺旋钉一样携带形状上的“扭转”（轨道角动量）。通常，这些扭转发生在光束的宽度方向上。但最近，物理学家发现了一种更奇特的扭转：一种“时空光学涡旋”（STOV）。不要仅仅把它看作一条旋转的带子，而要把它看作一个在空间和时间上同时发生扭转的波包。它就像池塘中的一圈涟漪，不仅向外扩散，而且在向前移动的同时还在旋转，携带一种秘密的“拓扑电荷”，使其行为表现得像一个微小的、隐形的龙卷风。

为什么这很重要？因为如果我们能够控制这些扭转，我们或许就能利用它们来探测宇宙中最微小、最快速的事件，例如电子如何在原子能级之间跃迁。然而，这里有一个难点：我们目前大多只能用普通的可见光来制造这些扭转波。为了真正观察原子的内部情况，我们需要能量更高的极紫外（XUV）光。大问题在于：我们能否在不丢失这种特殊形状的前提下，将这些精细的、扭转的 STOV 提升到如此高的能量水平？

这篇论文给出了肯定的回答。巴黎萨克雷大学（Université Paris-Saclay）的研究人员成功地将他们的红外光“扭转龙卷风”脉冲撞击到一团氩气云中。这个过程被称为高次谐波产生，它就像一个宇宙级的能量转换器，将低能量的红外光转化为高能量的极紫外光。研究小组发现，这种特殊的扭转形状不仅在转化过程中幸存了下来，甚至还得到了放大。如果原始光具有 1 的扭转度，那么产生的新极紫外光就具有 25 的扭转度（或者说是能量倍数）。他们通过展示新光在探测器上形成了完美的环形图案（就像靶心一样），并且证明当他们调整原始脉冲时，这些环的大小会完全按照数学预测发生变化，从而证明了这一点。

为了理解他们是如何做到的，请想象你正试图在一张正在被拉伸和挤压的纸上写字。该团队使用反射镜和透镜构建了一个特殊的“脉冲整形器”来雕刻他们的激光束。他们将一个标准的激光脉冲通过一个能像三棱镜一样将颜色展开的设备。然后，他们在展开的彩虹中间放置了一个特殊的“涡旋板”。这个板子就像一个模板，将螺旋图案印刻到光的颜色上。当光重新组合时，它不再仅仅是一束光，而是一个 STOV 脉冲——一个其峰值强度在空间和时间上都形成圆环的波。

挑战在于这些 STOV 脉冲非常难以驾驭。如果你试图让它们变得太强，它们可能会破碎或失去形状。团队必须非常精确，使用 2 毫焦耳的激光并仔细对准设备，以确保脉冲保持为一个完美的圆形环。他们将这些经过整形后的脉冲射入一束氩气流中。当强烈的激光撞击气体时，它会撕裂电子并随后将其撞回，导致原子喷射出频率更高的新光（即谐波）。

结果与理论高度吻如此。当他们观察新的极紫外光时，看到它也形成了环形图案，就像原始红外脉冲一样，只是尺寸更小且能量更高。关键的发现是原始光与新光之间的“扭转”关系。如果原始脉冲的拓扑电荷为 $\ell$，那么第 $q$ 次谐波（即第 $q$ 种颜色的新光）的电荷则为 $\ell_q = q \times \ell$。这就像是扭转的力量随着能量的提升而进行了倍增。例如，一个具有 1 倍扭转的脉冲产生了一个具有 25 倍扭转的第 25 次谐波光。

他们还通过移动气流喷射口相对于焦点的位置，测试了这些扭转脉冲的鲁棒性。在普通光中，稍微移动气流可能只会改变亮度。但在 STOV 中，移动气体改变了脉冲本身的“形状”。当脉冲远离完美焦点时，原本漂亮的圆形环会破碎成清晰的瓣状，就像花瓣绽放一样。他们产生的极紫外光完美地镜像了这种变化，证明了这种新光是原始扭转脉冲的高能忠实副本。

这项工作是一个重要的进步，因为它表明我们现在可以在极紫外范围内创造这些奇异的时空扭转涡旋。这不仅仅是一个理论上的奇观；它为使用这些 XUV STOV 作为探测器打开了大门。由于它们携带特定类型的角动量，它们可以被用来研究电子在空间和时间上的运动，从而有可能揭示关于光与物质在极速下如何相互作用的新细节。该团队通过实验和计算机模拟证实了他们的发现，表明即使在光变得如此狂野和高能的情况下，物理规律依然成立。