上海光机所发现相对论涡旋光反射偏离经典光学反射定律

中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、中国科学院院士徐至展领导的强场激光物理国家重点实验室在相对论涡旋光物理研究方面取得新进展。

经典光学认为，光在介质平面反射时，入射光、法线和反射光在同一平面，且反射角等于入射角，而对于相对论强度的涡旋激光光束，这一基本原理面临新的挑战，相对论涡旋激光和等离子体相互作用具有全新的非线性传输特征。

上海光机所强场激光物理国家重点实验室沈百飞研究小组利用三维数值模拟清晰表明，相对论涡旋激光在等离子体靶面反射时，反射光偏离入射平面。由于涡旋激光具有角动量，因此其在靶面的反射有点类似高速侧旋的乒乓球在撞击拍面后的反射过程。

这一效应可以从电磁理论上得到完美的诠释。从电磁理论上说，相对论涡旋激光和物质相互作用时的电磁作用力，不能再简单地用光压或有质动力来描述，而应该用更加普适的电磁应力张量。详细研究表明，涡旋激光的电磁应力张量有一个不对称项，这使得激光对靶面的挤压不对称，从而造成了反射光偏离入射平面。

这一最新结果发表在9月9日的《物理评论快报》[Phys.Rev.Lett. 117，113904（2016）]上，论文的第一作者为博士生张林港。

在这一成果之前，沈百飞研究小组在相对论涡旋激光研究领域已取得数个创新成果。强激光驱动的光扇[Phys.Rev.Lett. 112, 235001 (2014)]、相对论涡旋激光的高次谐波[Phys.Rev.Lett. 114, 173901 (2015)]等都得到了《自然-光子学》(Nature Photonics）等研究亮点报道。

该项研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发、中科院先导计划等项目的支持。

图：相对论涡旋激光在等离子体靶面反射时，反射光偏离入射平面