科学家展示首个高强度“光弹簧”激光

当高强度激光与等离子体相互作用时，带电粒子通常会像海洋中的波浪一样来回振荡。但如果激光本身能像漩涡一样扭转呢？研究人员如今展示了一种旋转的、呈弹簧状的激光脉冲，为聚变能源、粒子加速、天体物理学等领域开辟了新的可能性。在发表于《自然·光子学》的一项新研究中，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和加州大学欧文分校的科学家展示了首个高强度“光弹簧”激光。

利用自由形态光学系统制造出一种新型高强度激光器，旋转如弹簧。

与传统激光束不同，光弹簧会以可控的速率绕其中心轴旋转。如果照射在墙上，其光束图案会随时间推移描绘出一个个圆圈。

LLNL科学家、论文第一作者Andrew Longman说：“长期以来，人们一直使用高功率、高强度激光脉冲来驱动等离子体，但这些激光几乎总是采用最简单的形态。基本上就是一个圆形光斑——没什么特别之处。这就像用锤子去砸等离子体。我们对在空间和时间上都经过结构化设计的激光脉冲感兴趣，因为它们能让我们做出不寻常的事，比如搅动等离子体。”

该光束的旋转速度可以在很宽的范围内调节，包括在不违反相对论的前提下，其表观速度可以超过光速。这种能力可能使研究人员能够驱动以前从未在实验上探索过的新型等离子体波。

原子级精度的]反射镜

这项突破依赖于LLNL下属国家点火装置及光子科学部门所生产的一些有史以来最精密的自由曲面光学元件。研究人员首先使用专门的分束器将一个宽带激光分成两束：一束包含较短（“蓝色”）波长的光，另一束包含较长（“红色”）波长的光。然后，每束光分别从一面定制的纳米结构反射镜上反射。

肉眼看去，这些反射镜完全平坦。但实际上，每个反射镜表面都蚀刻有极其细微的螺旋图案。如果将直径6英寸（15厘米）的反射镜放大到一英里宽，其螺旋台阶的高度也仅为约半英寸。

论文作者、LLNL光学与材料科学与技术项目主任Tayyab Suratwala说，“对于某些自由曲面光学元件来说，在整个镜面上，设计和最终成品之间的差异仅有约五纳米，我们说的几乎是原子尺度的精度。”

这一成果需要在大尺寸光学元件的研磨和抛光方面拥有关键的专业知识，以实现前所未有的精度。

从分束到光弹簧

从这些反射镜上反射后，第二个分束器将两束光重新组合，在空间和时间上精确对准。结果产生了一种新型激光脉冲，其形态类似于扭转的DNA链。

该激光系统由加州大学欧文分校的一个团队组装和测试，团队成员包括前LLNL实习生丹尼·阿提亚和富兰克林·多拉尔教授。

Dollar说：“在《捉鬼敢死队》中，他们的质子背包会发射一束中间的射线和另一束围绕它螺旋的射线，在高强度条件下，我们过去只知道如何制造中间那束光。现在，我们也能制造螺旋的这束光了。”

具有实用性的螺旋波

模拟表明，光弹簧可以高效地驱动螺旋状等离子体波，其行为类似于微小的电磁线圈。利用这些高精度光学元件，一个桌面规模的激光系统就有可能产生超过100特斯拉的磁场——这堪比一些实验室中有史以来产生的最强磁场。

Longman说：“好处在于，这一切都是在一个几乎可以放在你桌面上的激光器上完成的，你不需要那些大型的、价值数百万美元的激光器就能做原创性的工作。”

如此强的磁场可以提供一个研究物质在极端条件下行为的新平台。研究人员可以利用它们研究与天体物理环境相关的等离子体过程，并探索强磁场如何改变原子及其发射的光的行为。

将电子留在波中

光弹簧的一个潜在应用是基于等离子体的粒子加速。在传统的等离子体加速器中，电子最终会超过正在加速它们的激光脉冲，从而限制了它们能获得的能量。模拟表明，由光弹簧驱动的螺旋等离子体波可以克服这一限制。由于波在传播时旋转，电子可以在加速区域停留更长的距离，从而使其达到更高的能量。

Dollar说：“我们可以真正地提升加速粒子的场强，在大概一厘米的距离内，我们就能获得可能与巨型加速器设施相当的能量。”

简单设计拓宽用途

科学家们正在继续测试这种激光并探索其广泛应用。他们还致力于一种能将所有光学元件合并到单一组件中的设计——这一成就将使光弹簧更容易实现和扩大规模。

Suratwala及其光学专家团队已做好准备，他说：“如果我们创造出这种能力，人们就会利用它，我们团队做了很多这样的工作，开发一项技术，然后看着它得到应用。这非常有成就感。这就是驱使我们想做这类工作的动力。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-026-01948-6