封面 | 超强激光产生高角动量光子束新方案
来自：都玮编辑 激光评论 江苏激光联盟陈长军转载
High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期封面文章：
Hao Zhang, Jie Zhao, Yanting Hu, et al. Efficient bright γ-ray vortex emission from a laser-illuminated light-fan-in-channel target[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(3): 03000e43
高亮度X/γ辐射源应用广泛，可用来探测核结构、 发现新粒子、超高密度探伤、产生高通量正负电子对、核医学成像等。
基于激光等离子体相互作用的新型X/γ辐射源具有体积紧凑、费用低廉、亮度高及光子能量高等特点，从而获得了广泛的关注。在过去几年里，台面型X/γ辐射源的相关研究取得了显著的进展，但由于γ辐射源的光子能量很高、脉冲短且辐射源体积小，操控此类光子束的强度分布、角动量仍具有很大的挑战性。
由于在核物理和天体物理等领域的潜在应用，光子能量在MeV-GeV范围内的高角动量光子束得到了 广泛关注。 光子与物质中的角动量相互作用在宇宙物质的演化中扮演了重要的角色。 当光子束经过一些天体环境如黑洞或非均匀等离子体时能够被转化为携带有角动量的涡旋光子束。 相比于普通光子束，涡旋光子束能够携带更多关于相互作用中辐射源的物理信息，如磁场和辐射场。 目前产生 高角动量 光子束的方案大多需要强度在10 22 W/cm 2 的拍瓦级 涡旋激光，然而实验室中产生的涡旋光最高强度仅约为10 20 W/cm 2 。
近日，国防科技大学余同普教授课题组联合英国、意大利研究人员提出了一种全光学的基于激光等离子体相互作用的方案，用以产生准直性好、具有高轨道角动量和高亮度的数MeV的γ光子束涡旋。 研究成果发表在 High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期上，并被选为封面文章。
在本方案中，一束圆极化高斯激光照射到微通道靶上，大量的电子被激光电场从通道壁中拉出。这些电子可以被通道内的纵向电场加速到数百MeV。同时，驱动激光也会将其携带的自旋角动量传递为电子的轨道角动量，因此这些电子束也携带有很高的轨道角动量。此后，驱动激光被通道靶尾端的光扇靶反射。由于光扇靶的特殊结构，反射激光的相位中具有了exp(ilϕ) 的相位因子,并成为 了拉盖尔高斯激光。
驱动激光脉冲被光扇靶完全反射后的横向电场Ey的截面分布
当反射的涡旋激光与高能电子束碰撞时，非线性康普顿散射过程被触发。最终得到了一束低发散角(~9o)、峰值亮度为1022 photons/s/mm2/mrad2/0.1% BW，峰值瞬时辐射功率为25 TW，平均轨道角动量为106 ℏ 的稠密光子束涡旋。 全三维粒子模拟结果表明，激光到光子束的角动量转化效率为0.67%。此方案不仅能够为天体物理、粒子物理提供一种可行的产生γ光子束涡旋 的 方法，同时也为未来通过实验对非线性QED理论进行检验提供了可能。
γ光子束在空间中呈涡旋状分布
目前产生具有高角动量的粒子束大多采用具有更高角动量密度的超强涡旋激光，但受限于激光技术的发展，实验室条件下能够产生的涡旋激光最高强度距离方案要求仍低1-2个数量级，这大大限制了相关的实验研究。研究人员将进一步探索通过超强激光与微结构靶相互作用产生超强涡旋激光的可行方案，并继续关注高角动量密度激光与等离子体的相互作用。
科学编辑 | 张昊 国防科技大学
编辑 | 都玮