前沿综述 | 结构光拓展相对论激光与物质相互作用的维度

近年来，随着高功率激光技术与超快光学的持续发展，光与物质相互作用不仅展现出更加丰富的物理现象，也推动了现代等离子体物理、高能量密度物理及实验室天体物理等前沿研究的深入探索。激光技术与光场调控手段的不断发展，使科学家逐渐意识到：高功率激光并不总是局限于简单的基模（高斯束），可以呈现出丰富的空间结构、复杂的相位涡旋、非均匀的偏振分布，甚至时空上的耦合调控能力——结构光（Structured Light）能为激光等离子体物理过程带来改变。作为一种多维度耦合的光场形式，结构光不仅在传统光学与信息技术中展现出广阔应用前景，也逐渐成为极端光强条件下激光-等离子体相互作用研究的焦点。

近日，来自里斯本大学、欧洲极端光学设施（ELI-NP）、罗切斯特大学、加州大学圣地亚哥分校、巴黎理工学院和魏茨曼科学研究所的研究人员合作在期刊OPTICA上发表了题为“Trends in relativistic laser–matter interaction: the promises of structured light”的综述论文。文章系统介绍了结构光的基础概念与产生方法，探讨了其从经典强度到相对论强度激光场中的应用演变，并总结了结构光在相对论强度条件下的实验进展及实验中需考虑的关键因素。论文指出，结构光不仅在基础研究中拓展了激光与等离子体相互作用的自由度，还在高能粒子束产生、X射线激光、太赫兹源辐射方向调控等应用中展现出巨大的潜力。

与传统的高斯光束不同，结构光可以呈现多种形式，例如贝塞尔光束、拉盖尔-高斯光束和涡旋光束，每种光束的特性都会在相对论强度下显著影响其与等离子体的相互作用。如果说对光谱相位与振幅的调控构成了现代光学的基础，那么对光场时空特性的调控正成为超快光学领域的前沿热点，它可将原本被视为不利因素的时空耦合转变为可精确操控的全新维度。

图1 产生涡旋光束的三种主要技术

结构光在操控光与物质之间的能量与动量传递之外开辟了新的视角。涡旋光束是其中具有代表性的形式，其携带的轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）赋予光束螺旋状的相位结构和中空的强度分布，且带来可调控的轴向场结构。目前，产生携带OAM的高功率激光仍面临挑战，需要在编程光滤波器，螺旋相位板或等离子体光学器件中权衡高功率下的稳健性与易用性（如图1）。近年来，基于超表面（Metasurface）或纳米结构的反射镜、波片等器件也开始进入高功率激光领域的视野，有望为实现高保真度的结构光场控制提供新的技术路线。结构光的表征亦对诊断手段提出更高要求，目前常用方法包括Shack–Hartmann波前传感器、干涉测量和投影分析等，但这些方法在高阶OAM或极端场强条件下仍存在瓶颈。

2015年，德国科学家的几十发次的实验数据表明（Phys. Plasmas 22, 013105 (2015)），相比常规高斯光束，l=1 的涡旋光表现出不同于高斯光的能量定标率。后续有限激光发次的 TNSA 实验结果（J.Opt. 27 015401(2025），PhysRevLett.125.034801(2020)）陆续发表，涡旋光束在质子束能量增强及空间分布方面相较高斯光的差异尚未得到明确解释，仍需通过更多实验验证和系统的参数扫描，进一步揭示其背后的物理机制。l×σ=-1模式的涡旋光还可以用于直接加速电子。其特有的空间分离的纵向场结构，能够在真空中驱动电子沿光轴加速，并实现良好的横向束缚，为构建新型紧凑型电子源提供了可能（中科大：线偏振涡旋光驱动得到电子脉冲链）。此外，携带 OAM 的结构光与等离子体相互作用中的“角动量转移”机制，在涡旋高次谐波产生，强磁场产生以及弹簧光（light spring, LS）驱动的具有OAM的等离子体尾场波中都有广泛的研究。

图2 (a）传统透镜将激光脉冲中的所有频率聚焦到同一位置；（b）飞行焦点利用色差聚焦和啁啾来控制每个频率的焦距位置和时间

除空间结构外，结构光的时空耦合调控也可以产生强大效果。其中，“飞行焦点”（Flying Focus）技术是一种通过频率色散和焦点时间延迟，实现激光聚焦点沿轴向以任意速度传播的方法（如图2）。聚焦点可运动这一特性，为优化各类基于激光的应用提供了新方法，尤其适用于需要速度匹配或延长相互作用长度的场景。特别是在激光尾波加速（Laser Wakefield Acceleration, LWFA）电子中，由于传统激光在等离子体中的群速度低于光速，易导致高能电子超过加速相位进入减速相位；而飞行焦点则能使加速相位以光速前移，从而突破失相的限制，实现“无失相”加速（Dephasingless Acceleration）。模拟表明，基于飞行焦点的LWFA能在不到1 m的长度内产生能量超过100 GeV的电子，为紧凑型加速器的发展提供了新技术。此外，飞行焦点在强场QED、质子加速、双色太赫兹辐射等多个领域，都展现出极强的潜力。

尽管当前在技术实现、实验手段和理论建模方面仍面临诸多挑战，文章指出，结构光在相对论强度激光等离子体相互作用中的应用正在逐步展开，尤其在激光加速、高次谐波、尾场操控和新型辐射源产生等方向表现出独特优势。结构光提供了一种可控的方式来操纵能量、动量和角动量在光与物质之间的转移，拓展了相互作用的调控维度。未来，结构光将在更高维度耦合的基础上推动实验平台与诊断方法的发展，为探索强激光与等离子体相互作用中的新物理过程提供重要工具。

结构光在激光与物质相互作用中的研究正获得国际范围内的广泛关注与支持。本篇综述正是得到了欧洲委员会重大科研资助项目“Space-Time and Vectorial Meta-Optics for High-Power Structured Laser-Matter Interactions”的支持，项目总资助金额高达150万欧元，旨在从时空调控、矢量光场、超构光学等多维度推进高功率结构化激光与物质相互作用的研究与应用。该项目的设立不仅反映出欧洲在强激光与等离子体物理前沿方向上探索的决心，也再次印证了结构光作为下一代光场操控范式，在基础科学探索与高能量密度物理交叉领域中的关键作用。