自由電子激光首次造出極紫外龐加萊光束，拓撲光學迎來新工具

    當我們談論“光”，往往會聯想到均勻的亮度、單一的偏振方向——比如陽光穿過偏振片后形成的線偏振光，或是手機屏幕發出的定向光。但在前沿光學領域，一種名為“龐加萊光束”的特殊光場，正以其復雜的“偏振拓撲結構”成為科研焦點。近日，SLAC國家加速器實驗室與意大利ElettraSincrotroneTrieste合作團隊在《NaturePhotonics》發表的成果，更是讓這類光束的研究迎來里程碑：他們首次用自由電子激光（FEL）直接生成了極紫外波段（16.7nm）的龐加萊光束，且無需額外光學元件，為短波長復雜光場的應用打開了全新窗口。

    一、龐加萊光束：光的“偏振地圖”有多特殊？

    普通光束的偏振態往往是均勻的——要么是單一方向的線偏振，要么是旋轉的圓偏振。但龐加萊光束完全不同：它的偏振態在光束橫截面上呈**空間非均勻分布**，就像一張“偏振地圖”，能覆蓋“龐加萊球”（描述光偏振態的幾何模型）的一部分甚至整體。

    這種獨特的拓撲性質，讓龐加萊光束在多個前沿領域極具潛力：

    研究“光學斯格明子”（一種具有拓撲保護的光場結構）；

    高精度材料加工（利用偏振分布的差異實現局部精準處理）；

    高分辨成像與極化測量（通過偏振態變化捕捉物體細微結構）。

    不過，此前生成龐加萊光束面臨兩大瓶頸：一是難以實現短波長（如極紫外、X射線），而短波長光束對探測微觀結構至關重要；二是需要復雜的額外光學元件拼接，不僅效率低，還容易引入誤差。這次團隊的突破，恰好解決了這兩個核心問題。

    二、自由電子激光：如何“直接造”出極紫外龐加萊光束？

    團隊選擇在意大利FERMI自由電子激光裝置的FEL1線開展實驗，核心思路是利用“拉蓋爾–高斯模疊加”原理，讓FEL自身直接生成目標光束，無需額外元件。整個過程可分為三步：

    1.電子束調制：種子激光“定方向”

    首先，用266.6nm的種子激光對電子束進行調制——這一步相當于給電子束“設定初始姿態”，確保后續能生成特定模式的光。

    2.波蕩器分工：兩段螺旋波蕩器“造模式”

    FERMI裝置的六段螺旋波蕩器被分成兩組，各司其職：

    前五段：工作在33.3nm諧波模式，專門生成“軌道角動量（OAM）模式”的光——OAM就像光的“旋轉姿態”，不同OAM模式代表光以不同方式旋轉；

    第六段：調諧至16.7nm基波模式，生成“高斯模式”的光（最基礎的光場模式）。

    3.相干疊加：正交圓偏振“拼結構”

    最后，讓兩組光在裝置下游進行“相干疊加”——關鍵在于，兩組光的偏振態是“正交圓偏振”（比如一組是左旋圓偏振，另一組是右旋圓偏振）。這種疊加并非簡單混合，而是通過精準調控相位，最終形成典型的“星形”龐加萊光束：光束中心是圓偏振，向外逐漸演化為不同方向的線偏振，完美匹配理論預期。

    三、實驗驗證：星形光束“達標”了嗎？

    為了確認龐加萊光束的生成效果，團隊通過“濾光+成像+偏振掃描”的組合方法進行觀測：

    1.先用Zr濾光片去除不需要的波長成分，只保留16.7nm的極紫外光；

    2.用CCD相機成像，并搭配線偏振器進行多角度掃描（0、π/4、π/2等角度），捕捉偏振態分布。

    最終結果完全符合預期：

    偏振結構：光束中心為**右旋圓偏振**，邊緣為**線偏振**，呈現出清晰的“星形”，這是龐加萊光束的典型特征；

    龐加萊球覆蓋：偏振態分布覆蓋了龐加萊球的大部分區域，與理論計算高度一致；

    穩定性：多次重復實驗后，偏振分布的一致性和可控性都得到驗證——這意味著該方法可穩定用于后續研究。

    四、從極紫外到X射線：這一突破的未來有多廣？

    這次成果的意義，遠不止“首次生成極紫外龐加萊光束”這么簡單，它為整個領域帶來了兩大方向的拓展可能：

    1.技術簡化與形態拓展

    無需額外光學元件的“直接生成”方法，大幅簡化了龐加萊光束的制備流程，降低了成本與誤差。未來，通過調整波蕩器的參數，還能生成更多形態的“矢量光束”（龐加萊光束是矢量光束的一種），滿足不同科研需求。

    2.波長延伸與應用落地

    當前實現的16.7nm極紫外波長，已經能用于探測納米尺度的材料結構；而團隊明確表示，這種方法可進一步拓展到更短波長——比如X射線。一旦實現X射線波段的龐加萊光束，將打開更多應用場景：

    磁性材料探測：利用X射線的穿透性和偏振拓撲，看清材料內部的磁疇結構；

    拓撲光學研究：探索光場在拓撲保護下的新物理現象，為量子光學提供新工具；

    原子級高分辨成像：突破傳統成像的分辨率極限，甚至能“看見”單個原子的排列。

    結語：光的“偏振密碼”，正被進一步破解

    這次《NaturePhotonics》的成果，是自由電子激光技術與偏振光拓撲調控的“跨界成功”——它不僅讓龐加萊光束從“實驗室概念”向“實用化工具”邁進了一大步，更讓我們看到短波長復雜光場的巨大潛力。

    未來，當X射線龐加萊光束成為常規科研工具，或許我們能在生物醫學中“看清”蛋白質的折疊細節，在材料科學中“捕捉”量子材料的拓撲相變，甚至在量子通信中利用偏振拓撲實現更安全的信息傳輸。光的“偏振密碼”，才剛剛開始被深入破解。