非对称光子自旋轨道相互作用

　　高能质子束在物质中传输时具有独特的布拉格 峰，即质子在传输路径上损失能量很少，能量主要沉 积在末端。因此采用高能质子束治疗体内癌症时，在 杀死癌细胞的同时，能很好地保护健康细胞，这种治 疗手段被称为质子刀。传统加速器的质子刀肿瘤治疗 在国内外均已取得进展，临床效果好，但治疗费用昂 贵且难以普及。 近日，中国科学院上海光学精密机械研究所李儒 新团队在激光质子刀研究中取得进展。科研人员利用 圆偏振拍瓦级超强超短激光脉冲轰击纳米厚度薄膜 靶，获得了大流强、准单能的高品质质子束，质子能 谱 峰 能 量 达 到 9 MeV ， 峰 值 流 强 高 达 3×1012

　　虽然目前最先进的超快视频序列二维成像方法能 够捕获帧速率高达 1  THz 单事件， 但它们无法以任意 波长照射样品并/或检测复杂频谱信号的能力， 因此不 能与大多数光谱方法兼容，难以提取特定物品的信息 或量子态动力学。 来自瑞典隆德大学的 Marcus Aldén 研究团队提出 了一种基于激光探针的超快摄影技术，能够获取在飞 秒时间尺度和超光谱范围内的非重复动态事件的视频 序列。 该方法被称为多重曝光频率识别算法(FRAME)，

　　与电子类似，光子同样具有自旋角动量(SAM)和 轨道角动量(OAM)。 OAM 光束在传统光学和量子光学 领域有着重要应用，例如光通信、粒子操控、超分辨 成像以及量子通信等。产生 OAM 光束的传统光学器 件体积大、笨重，且不存在光子自旋轨道相互作用 (SOIs)。几何相位型超构表面存在对称的 SOIs，但其 对称性限制了 SOIs 的应用。 在《光电工程》2017 年第 3 期中，中国科学院光 电技术研究所报道了关于超构表面存在非对称 SOIs 的理论研究，可以将左右旋圆偏振光高效地转换为非 对称拓扑荷的 OAM 光束。近期，哈佛大学利用相同 的原理做了类似的研究工作，实验证明了非对称 SOIs 的存在，并分析了不同椭圆偏振态入射下产生的混合 OAM 光束的光场分布，相关成果发表在《Science》 上。两个团队设计的超构表面均由不同几何特征的高 折射率介质柱构成，可同时引入自旋无关的波导传输 相位和自旋相关的几何相位。两者的叠加既可以保证 SOIs 的存在， 又可以打破几何相型波前原有的对称性。 由于两种相位梯度的独立可调性，该超构表面能够对 入射光的左右旋分量进行独立调控，进而实现光子自 旋-轨道角动量的任意转换。

　　可以在激光脉冲持续时间限制的帧速率下获得一系列 激光诱导图像。 FRAME 算法的新颖之处在于将结构代码叠加到 光照上以加密单个事件， 并在后处理中对其进行解密。 由于视频序列中的每个图像都是通过使用唯一的空间 代码提取的，所以该方法不依赖于特定的光波长或激 光带宽，因此可以用于光谱测量。帧频仅受激光脉冲 持续时间的限制。该团队展示了达 200 fs 的时间分辨 率，他们认为若使用阿秒激光将会提高 1000 倍。 该方法可用于在时间尺度上研究物理、化学和生 物学中的许多动力学过程。相关研究成果发表在 2017 年 9 月的《Light: Science & Applications》上。

　　protons/MeV/sr ，这一结果代表着激光驱动的质子刀 方案向前迈出了关键一步。 超强超短激光驱动的以等离子体为工作介质的高 能质子加速器， 由于其加速梯度(单位长度内粒子获得 的能量)远大于传统加速器，大大缩小加速器规模，从 而有望减少治疗费用， 服务大众， 成为新一代质子刀， 即激光质子刀。 科研人员分析表明，基于无碰撞激波的加速机制 是产生这种高品质高能质子束的原因，该机制预言质 子能量可在现有的激光条件下定标到百兆电子伏特， 从而满足质子刀肿瘤治疗的要求。该研究成果发表在 2017 年 10 月 17 日的《Physical Review Letters》上。