如何看待光线能以螺旋方式传播？将有哪些应用？ 第1页

我以为光轨道角动量这种东西学过光学的人都应该知道一点...anyway, 试着回答一下吧 (日常工作时间划水说的就是我了)，本科接触过一点OAM的实验不过现在都忘干净了。

首先说一个概念，光子的轨道角动量(OAM)，和偏振频率等其他量一样，这是光子的另外一个自由度。如大家经常看到的，其在空间上会有如下图的分布，可以看到不同的OAM量子数会有不同的形状，波前呈现不同的螺旋模式(helical modes是这么翻译的吧). 尤其当m=0即轨道角动量为0的时候，显然就回到了我们在大学物理光学部分熟知的这种平面波。

这个和我们平时说的光的偏振是不一样的，偏振对应的是光子的自旋角动量，而这里我们谈论的是轨道角动量，不能混为一谈，在没有spin-orbital coupling时候这两个是完全独立的。

另外细心的你应该也可以看到，上图中从截面看，最中间的点附近都是暗的，像一个漩涡一样，亦即所谓的optical vortex. OAM作为光的一个自由度可以在很多方面有应用，比如我立刻就能想到一个是用来成像，比如2014年诺贝尔化学奖的超分辨成像这种，知乎前两天有 @梁昊 的一个回答可以参考，还有一个就是高维量子计算，毕竟多个量子数可以提供更多level更大的空间嘛.

回到题目，那么这篇science的文章做了一个什么事情呢？

简单来说：把两束OAM(轨道角动量)相差为1，并且互相之间有一个time-delay(延时)的红外光束相互干涉，通过HHG(high harmonic generation)过程，最终得到的极紫外线光束可以呈现出随时间变化的OAM，称之为自扭转 ^[1] 。

我的理解是，这个工作的意义在于，第一次实现了光束的自扭转，亦即在在没有外力或者说没有外界相互作用的情况下，OAM还能随时间变化。

或者如果您稍微懂点英文，这篇文章的导读也说的很明白了：

Structured light beams can serve as vortex beams carrying optical angular momentum and have been used to enhance optical communications and imaging. Regoet al.generated dynamic vortex pulses by interfering two incident time-delayed vortex beams with different orbital angular momenta through the process of high harmonic generation. A controlled time delay between the pulses allowed the high harmonic extreme-ultraviolet vortex beam to exhibit a time-dependent angular momentum, called self-torque. Such dynamic vortex pulses could potentially be used to manipulate nanostructures and atoms on ultrafast time scales.

下面这张图您看了会更明白，图A里面，两个互相之间有延时IR光(红色的)打到这个HHG介质上，最后得到紫色的这个螺旋线的光，它一开始的OAM是17，走着走着就变到了34，这种OAM量子数随时间变化的现象我们称之为self-torque自扭转或者自扭矩。图B就是OAM随着时间变化的图，大概在15飞秒内，OAM从17变到了34。另外就是图c在 方向上的光频会不一样，这个也是很自然的一件事情了。

显然这是一个非线性过程，而核心就是这个所谓的HHG(high harmonic generation)。做非线性或者超快之类的同学应该远比我熟悉这个mechanism，简单来说就是你打一个频率为omega的光进入某个HHG介质(比如这里他们用的是稀有气体)之后出来的光的频率会是原来的整数倍，即n*omega。而这个实验里，是在不同时刻打入两束不同OAM的光进去，我的intuition是这样的，因为本身这个HHG就是一个动力学过程，在光频转化过程中不同的OAM会被imprint到出来的pulse上面，就像打字机一行一行打字，出来的每一行都不一样，都有不同的OAM。文章略长我也没有太仔细的看，如有不准确地方或者疑问欢迎提出，感觉作为简单的科普的话我就可以不用细读文章了= =

关于这个工作在应用上的意义，我开脑洞想到的结合超分辨显微镜那套可以搞一个在时间和空间上同时超分辨的显微镜，毕竟这里的时间尺度有fs，甚至可能已经远低于大部分有趣过程的时间了……另外光频在phi方向的差别是不是也可以用作sensing之类的啊…idk.

其他意义的话，我就从正文直接copy过来吧：

The generation of light beams with self-torque opens up a route for the investi- gation of systems with time-varying OAM that spontaneously appear in nature (47) as macro- scopic dynamical vortices or—owing to the high frequency of the beams—microscopic ultrafast systems. For example, because short-wavelength light can capture the fastest dynamics in mate- rials (48, 49), self-torqued EUV beams can be expected to be used for imaging magnetic and topological excitations, launching selective and chiral excitation of quantum matter (50), imprint- ing OAM centrifuges (32), switching superposi- tions of adiabatic charge migration in aromatic or biological molecules (51, 52), or manipulating the OAM dichroism of nanostructures (53) on attosecond time scales.

参考

1. ^ 这里是我瞎jb翻译的，能理解意思就好