Extreme ultraviolet vortex light tubes by chromatic wavefront shaping of high harmonics
本文介绍了一种通过利用色差波前整形将沿传播轴的连续谐波涡旋焦点进行合并，从而产生在纵向上具有结构化的超快极紫外（EUV）场的策略，该策略生成的扩展极紫外光管与产生过程完全解耦，并可适用于各种宽带光源。
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光不仅仅是照亮房间的一束光，它是一个可以被精确地塑造、扭转和定时控制的复杂场。几十年来，科学家们已经学会了将光雕刻成特定的形状，赋予其类似于螺旋形的属性，从而携带一种被称为轨道角动量的独特自旋。这些被称为涡旋光束的扭曲光束，已成为研究磁性材料和推动成像技术极限的强大工具。虽然研究人员已经掌握了利用可见光创造这些形状的方法，但将同样的概念推向极紫外波段——这一能量极高的光谱可以揭示原子和分子的内部构造——已被证明非常困难。挑战在于，极紫外光的行为与我们看到的可见光不同，且用于塑造它的工具往往难以应对这些高能脉冲中存在的广泛色谱。
一组研究人员现在发现了一种将这些工具已知的局限性转化为强大新功能的方法。通过利用从气体中产生的高能光脉冲，他们创造了一个能在惊人的长距离内保持其扭曲形状的长空心管状光。研究人员并没有试图强迫所有不同颜色的光聚焦在完全相同的点上，而是特意让它们在光束路径上的不同位置进行聚焦。这种对光线自然按颜色分离倾向的巧妙利用，产生了一个连续的、延伸的结构，它表现得像一根实心的扭曲能量管，而非一系列不连续的点。
实验始于一个标准的激光脉冲，该脉冲被聚焦到一个充满氩气的室中。这个过程被称为高次谐波产生，它将激光光转换为包含不同颜色（或谐波）的光谱的极紫外脉冲。随后，研究人员将一个专门的光学元件——螺旋相位带（spiral zone plate）——直接放置在这一新光束的路径中。该装置是一个带有类似螺旋状环形图案的扁平圆盘。当多色的光穿过它时，螺旋图案会将扭转印刻在每一层颜色的波前上，从而将光束变为涡旋。
通常情况下，透镜或相位带会导致不同颜色的光聚焦在不同的距离，这种性质被称为色差，通常会模糊图像或破坏结构。在本研究中，团队拥抱了这一效应。由于光束中的不同颜色在沿光束路径的不同点聚焦，它们的单个焦点在路径上相互重叠，从而形成了一个连续的管状光。研究人员测量到该光管直径约为10微米，长度延伸达18毫米。这是一个显著的成就，因为它创造了一个稳定的、结构化的场，其持续距离远长于单一颜色的焦点所能达到的范围。
为了理解这根光管实际看起来是什么样子以及如何运作，团队使用了一个由氟化锂制成的晶体探测器。当光穿过晶体时，它以微观缺陷的形式在晶体上留下了永久的形状记录。通过沿着光束路径扫描晶体，研究人员可以绘制出不同点处的光强分布图。他们发现，涡旋中心（即没有光存在的空心部分）在整个光管长度内保持一致。他们还通过分析光与自身相互作用产生的干涉图样，确认了光确实携带了预期的扭转（或拓扑电荷）。图样显示出清晰的螺旋结构，证实了该光确实是具有特定属性的涡旋光。
计算机模拟为研究人员提供了对这种光之本质的更深入观察，揭示了该光管不仅是一个静态形状，还是一个动态的超快脉冲序列。光是以飞秒涡旋的形式传播的，每个涡旋仅持续约一个飞秒（即一千万亿分之一秒）。这些脉冲共同沿着光管移动，在传播过程中保持其结构。模拟表明，尽管不同的颜色聚焦在不同的点，但脉冲的时序得到了保留，这意味着光的超快特性在过程中并未丢失。这表明该光管是由极其短暂的、扭曲的能量爆发流组成的，可以用这些爆发来探测最小尺度的时间和空间。
研究人员展示了这种方法适用于不同类型的扭转，他们使用了设计用于产生单旋或双旋光的螺旋相位带。在两种情况下，结果都是一个稳定且延伸的管状光。这种方法提供了一种无需改变光源本身即可工程化构建光场的全新方式。通过简单地更换光束末端的优化元件，科学家现在可以创造出不同的纵向结构，为先进成像、计量学和光刻技术开辟了可能性。这项工作表明，通过理解并利用光的自然属性和光学特性，而非与其对抗，是可以在极紫外范围内创造出此前难以实现的复杂结构化场的。
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