轨道角动量是光的一种性质，有许多新兴的应用，但直到最近才被人们重新认识。由于在从纳米结构到自由电子激光器等领域的研究，轨道角动量源的波长边界延伸到紫外线以外。当强大的相干辐射源扩展到软X射线光谱区域及更大范围时，用于利用它们在光-物质相互作用中的能力的方法在复杂程度上迅速增长。利用电磁波的轨道角动量（OAM）特性可以应用于从成像和光谱到纳米颗粒操纵等领域。为了在光的OAM中获得新的应用，需要在OAM光源和能够控制这些光源的先进光学工具中进行开发。

现在，Lee和美国劳伦斯伯克利国家实验室和俄勒冈大学的同事在《自然光子学》杂志上撰文，报告了在软X射线区域中制造OAM的源和工具方面的进展。这是通过将纳米制造技术应用于基于精确衍射的波处理来实现的（图1）。这项工作为软X射线的前沿实验方法打开了大门，在先进材料研究中具有令人兴奋的意义。

图1：原理图。建立了用于软X射线束中OAM生成和分析的衍射光栅法。CCD，电荷耦合器件。

正如物理学界所赞赏的那样，建立完整的麦克斯韦方程的经典电磁学理论揭示了大量现象，尤其是对传播波扰动的理解，换句话说就是光。这一理论上的进步证实了光也具有诸如动量等机械特性的概念，这些特性可以用来影响从原子到宇宙体大小不等的物体的运动。随着强大光源能力的不断增强，这种想法甚至在今天引起了共鸣，正如最近一项大胆的纳米级航天器推进方案所证明的那样。从直观上看，含有动量的光波也可以携带角动量，这一性质在波偏振中显示出来，这是一种自旋角动量。量子波教学法甚至在引入自旋之前就强调了OAM的作用。然而，直到1992年艾伦及其同事的开创性工作才注意到光的这种性质，在该工作中，他们分析了所谓的旋涡束（具有螺旋相的性质和由l?给出的角动量，其整数量子数l称为拓扑电荷，?为约化普朗克常数）。在接下来的几十年里，创造和开发OAM电磁波的努力蓬勃发展。

这种对OAM的兴趣的爆发当然是由于在实验应用中使用了OAM。在可见光中，这些用途包括从驱动光学机械操作到检测宏观物体的旋转。OAM光的独特模态特性还可实现超分辨率成像和光学通信中的先进技术。这些成功激发了将OAM源的覆盖范围扩展到XUV和X射线光谱区域的努力，因为在较短的波长处也有大量的应用。这些包括用于研究铜率的OAM二色性、相衬显微镜和针对特定角动量状态之间的内壳原子跃迁。当然，较短波长的光的特性本身是可取的，因为人们可以获得更精细的空间（亚纳米）和时间（阿秒）分辨率。

现代XUV和X射线源的时间尺度，尤其是高次谐波产生（HHG）和自由电子激光（FELs），确实提供了进入原子和分子运动的基本时间尺度的途径。毫不奇怪，这两种短波长光的方法正被用来制造OAM光源。 HHG和相关的激光等离子体源背后丰富的非线性机制对于特定波长不是很有效，因此对于高亮度的OAM源，可以从HHG的桌面尺寸到大型（千米）加速器源，如FELs和下一代衍射限制存储环。在这些情况下，更多的标准Hermite-Gauss模式可以转换为定义了OAM的Laguerre-Gauss模式。OAM束也可以直接由刻有螺旋结构的电子束产生，这是一个复杂的过程，在选择OAM状态时缺乏灵活性。这一挑战是Lee和同事们的工作出发点，他们利用纳米制造技术，利用聚焦离子束来雕刻氮化硅层，以将最初引入的光学光方法，缩小到几纳米的波长和尺寸——二元衍射光学。为了将没有定义的OAM状态的光转换成OAM光束，可以使用叉型位错光栅，如图2a所示。可以调整光栅图案以提供拓扑电荷的广泛变化。在生成一个OAM模式之后，对光强度模式的简单测量揭示了由原点处的相位奇点引起的特征圆环形状。这本身不足以确定软X射线束的OAM状态。

图2：衍射光栅和OAM模式。a，二元衍射叉位错光栅。b，OAM模式的叠加，得到花瓣形强度模式。

为了解决对所产生的模式以及X射线的输入状态的疑问，Lee和他的同事介绍了一种使用交叉定向叉位错光栅的方法。这允许大量的诊断和操作使灵活的工具能够测量和更改OAM状态。因此，这项工作为创建OAM软X射线束提供了一个创新的工具包。有了这样的仪器，就可以达到新的实验水平，特别是在FELs和下一代存储环X射线光源中，可以获得前所未有的相干光子强度。有些应用在很大程度上依赖于大功率的OAM光束，例如通过OAM交换改变原子状态。其他应用将由OAM光束的相干成像特性实现。例如，由于模式图案对相位变化的敏感性，通过具有OAM依赖性散射的材料传输的Laguerre–Gauss软X射线源将旋转或减少OAM图案。通过模式的叠加，这些可以直接解释相应的特征形状，如图2b所示的花瓣图案。这些研究可能揭示了磁性斯格明子和旋涡的拓扑依赖动力学。未来的挑战仍然存在，首先是在先进的存储环中引入和熟化这种软X射线OAM工具包，以及在斯坦福线性加速器中心的费米设施和LCLS-II软X射线FEL所代表的新FELs。这些新方法的开发在软X射线成像中得到了广泛的应用。当然，除此之外，人们希望在硬X射线波长下使用类似的工具包；在这里，衍射光学的纳米制造缩小了尺寸，也使得Lee和同事的工作变得困难。在更短的波长（以反康普顿散射源为代表）下，基于OAM光束散射的OAM X射线特性的明确测量是一个挑战。在这种情况下，有许多基本的物理问题需要解决，包括非相干散射过程在创建具有重大意义的OAM模式中的作用。

来源： Nature Photonics

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