前沿进展 | 二次谐波过程中的角动量破缺

研究背景：

光作为电磁波，拥有两种角动量，自旋角动量（SAM）：与光的偏振相关，例如左旋/右旋圆偏振光。轨道角动量（OAM）：源于光波前的螺旋相位，如涡旋光（携带“光学涡旋”）。二者叠加形成总角动量（TAM），但科学家进一步提出广义角动量（GAM）——一种非分离的SAM与OAM组合态，其量子数可以是分数，甚至形成“莫比乌斯偏振带”等奇特拓扑结构。

传统理论认为，在对称介质中TAM严格守恒，但GAM的守恒性在非线性光学过程中（如二次谐波产生，SHG）尚未明确。本研究首次探索了等离子体中GAM的守恒与破缺，揭示了光与物质相互作用的深层规律。

研究方法：

使用飞秒钛宝石激光，生成携带GAM的结构化光（如莫比乌斯偏振带）。通过波片和相位板调控光的SAM与OAM，构建非分离态。非线性介质采用超薄液态水片（仅几微米厚），避免相位失配问题，确保SHG场的空间结构真实呈现。利用空间滤波与干涉技术：分析SHG场的偏振、相位和拓扑电荷。量子通道分离：区分不同光子对（如左旋-左旋、右旋-右旋）对SHG的贡献。并通过推导等离子体电流方程，预测SHG场为两个GAM本征态的叠加，导致对称性破缺，但GAM量子数“平均守恒”。

研究结果：

图1 SHG场的偏振与相位分析。

图2 SHG场的旋转调制。

图3 实验测量与理论模拟对比显示，SHG场的振幅调制和相位跳变高度一致，验证了GAM对称性破缺的预测。

参考文献：

Voisine, A., Béjot, P., Billard, F., Marroux, H., Faucher, O. and Hertz, E., 2025. Explicit Symmetry Breaking of Generalized Angular Momentum by Second‐Harmonic Generation in Underdense Plasmas. Laser & Photonics Reviews, 19(6), p.2401180.