光子的动量是人们在认识光子以及应用光子时重要的物理量之一。譬如，光子的线动量已经被广泛应用于原子分子的囚禁和冷却等。除了线动量以外，光子还具有角动量。1909年，Poynting首次揭示了光子具有自旋角动量，自旋角动量的大小和方向与光子的宏观偏振态相关。直到1992年，Allen以及合作者们提出：具有exp(iℓφ)的相位结构的涡旋光束，携带有轨道角动量ℓℏ。自此，光子的轨道角动量在量子通信，精密测量，传感，超分辨成像等各个领域的研究中取得了许多关键的进展。
对于具有轨道角动量的光束，其轨道角动量的大小很大程度上决定了光束的性质。因此，如何实现光子轨道角动量的测量是十分重要的。迄今，轨道角动量的探测通常是通过光学手段实现的。其中一个主要方法是利用光学干涉技术，干涉条纹的数量能够反映光束的拓扑荷数。另一种传统的手段是观察光束经过特定掩模板之后的衍射图案。此外，涉及例如基于旋转多普勒效应和二维材料的光电效应等，人们也实现了对特定光束轨道角动量的测量。然而，几乎所有这些传统的光学方法，都可以看作是强耦合测量，测量本身不可避免地会改变光束的轨道角动量态。因此，有必要寻找到一种新的、直接的方法使得测量轨道角动量的同时，防止轨道角动量量子态的塌缩。
在强场物理领域，得益于超快激光技术的快速发展，飞秒涡旋光脉冲在强激光与物质相互作用的研究中受到越来越多的关注。如今，人们发现通过高次谐波产生过程，超快涡旋光脉冲可以被用于对极紫外区域的结构光场进行超快时空操纵。与此同时，研究者们还发现，飞秒涡旋光脉冲与原子分子相互作用过程中伴随着独特的跃迁选择规则以及角动量传递行为。最近，研究者们在光电离实验中相继发现了轨道角动量导致的光电离二向色效应，以及光学聚焦系统中强激光场的轨道自旋转化现象。由于强场中极端的光学环境，对于光场轨道角动量的原位测量和表征是十分困难的。到目前为止，如何实现强激光与物质相互作用的过程中对光子轨道角动量的原位测量是一个需要解决的问题。
鉴于此，人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”刘运全教授和龚旗煌院士等结合双色激光场时间空间控制和高分辨光电子成像技术，发展了一种强激光场下光子轨道角动量的测量技术。
研究者们采用了双色激光场整形技术，将基频光（800-nm）通过BBO晶体倍频（400-nm），然后借助马赫-曾德尔干涉仪（图1），产生以及调控双色同向旋光场（图2）。
图1 基于马赫-曾德尔干涉仪产生双色同向旋光场
图2 利用圆偏振800-nm和圆偏振400-nm合成双色同向旋光场的示意图
在双色光场中，400-nm光束经过一个螺旋相位版，被制备成具有不同轨道角动量的涡旋光束。800-nm光束则作为探测光束，用来辅助表征400-nm涡旋光束的拓扑荷数。在这个实验中，研究者们对800-nm光束的空间光强分布进行了整形，使得800-nm探测光束能够准确反映400-nm涡旋光束的空间相位结构。
随后，将制备得到的双色同向旋光场聚焦，与冷靶反冲离子电子动量成像谱仪(COLTRIMS)实验装置中的超音速氩气原子相互作用（图3）。借助COLTRIMS系统收集并探测电离产生的带电粒子碎片，可以得到高精度的光电子动量分布。由于强场电离中，光电子动量与双色激光场的相对相位密切相关，因此该方法的核心是将双色光的载波相位依赖，结构与光电子动量分布或角分辨产率联系起来。
图3 用制备得到的双色同向旋光场驱动强场电离过程，并用COLTRIMS系统对电子离子碎片的光电子动量分布进行探测
由于涡旋光束具有与平面波截然不同的螺旋相位分布，因此能够通过光电子动量分布精确地反应出涡旋光束的轨道角动量模式。通过结合经典轨迹蒙特卡洛模型（CTMC），涡旋光束的轨道角动量能够通过光电子信号得到探测（图4）。
图4 实验测量和理论计算的光电子动量分布。a, b 实验测量结果。c, d 理论计算结果。被测涡旋光束的拓扑荷数分别为 (a, c) ℓ = 1和(b, d) ℓ = 2
此外，在实验中，研究者们控制每一个双色激光脉冲电离不超过一个氩原子。氩原子的电离能为15.8eV，光电子通过电离获得的最慨然能量约为7eV，而800-nm和400-nm光子的能量分别为1.55eV和3.1eV。因此，每一次多光子电离事件中从激光脉冲中吸收的光子数(~10)，与每个光脉冲中原有的总光子数(~1×1015)相比，是十分微不足道的。这意味着，在通过强场电离的手段实现涡旋光束的轨道角动量探测的同时，对光束的轨道角动量量子态的影响是十分微弱的。基于这个特点，光电离探测技术有望被应用于光学系统量子态的“弱测量”。除此以外，这项工作对产生和探测更加广义的粒子束涡旋，譬如涡旋电子束等，也有重要的意义。
2022年2月8日，相关研究成果以"Probing the orbital angular momentum of intense vortex pulses with strong-field ionization"为题，发表于Light：Science & Applications。北大物理学院2017级博士生方一奇为第一作者，刘运全为通讯作者。
研究工作得到国家自然科学基金，及人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、山西大学极端光学协同创新中心、北京量子信息科学研究院等支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-022-00726-7
