Генерация вихревых пучков в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне через гармоники около порога ионизации в аргоне, возбуждаемые инфракрасными лазерами Лагерра‑Гаусса

Свет с закрутом

Свет — это не только поток энергии; он также может нести своего рода «закручивание», из‑за которого его волновой фронт закручивается, словно штопор. В вакуумно‑ультрафиолетовой (ВУФ) области такой закрученный, или вихревой, свет позволяет ученым наблюдать движение электронов в материалах на чрезвычайно коротких временах и на очень малых масштабах. В этом исследовании показано, как создавать такие экзотические пучки с помощью компактной настольной установки вместо огромных объектов инфраструктуры, что делает инструменты для ультрафастовой науки о материалах и химии более доступными.

Почему важен закрученный ВУФ‑свет

Вихревые пучки света имеют отверстие в центре и кольцо яркости вокруг него, подобно светящемуся пончику. Поскольку их волновые фронты закручены, они несут орбитальный угловой момент — своего рода вращательный «импульс», который можно передать веществу. На коротких длинах волн в ВУФ‑диапазоне такой закрученный свет способен исследовать электронные переходы в твердых телах, выявлять, как электроны перемещаются между энергетическими зонами, и чувствовать хиральные («право‑/лево‑ориентированные») структуры в молекулах. До сих пор генерация таких пучков на этих длинах волн обычно требовала больших и дорогих установок, таких как синхротроны или свободно‑электронные лазеры, либо сложных схем с ограниченной гибкостью. Поэтому простое, настраиваемое устройство, помещающееся на лабораторном столе, представляет большой интерес для многих областей исследований и технологий.

Настольный путь к вихревым ВУФ‑пучкам

Авторы исследуют метод, который начинается с интенсивного инфракрасного лазерного пучка, заранее сформированного в вихрь: энергия сосредоточена в кольце, а фаза закручивается при распространении. Этот пучок фокусируют в короткую струйку аргона, где он настолько сильно возбуждает электроны в атомах, что те излучают свет на новых, намного более высоких частотах. Эти новые цвета появляются за счёт генерации гармоник: испускаемый свет колеблется в несколько раз быстрее исходного лазера. Работа сосредоточена на «гармониках около порога», чья энергия фотонов находится как раз вблизи значения ионизации аргона. В этом режиме испускаемый ВУФ‑свет естественным образом попадает в диапазон, полезный для изучения твердых тел и молекул, и, что важно, он наследует закрученность возбуждающего инфракрасного вихревого пучка.

Два конкурирующих пути к новому свету

Внутри каждого атома аргона инфракрасное поле может создавать ВУФ‑свет более чем одним способом. Иногда атом фактически поглощает сразу несколько фотонов в многофотонном процессе, подталкивая электрон в возбуждённое состояние, не освобождая его полностью. В других случаях поле вырывает электрон и затем приводит его обратно для столкновения с родительским ионом — процесс, который может выпустить импульс излучения более высокой энергии. Моделирования в этой работе отслеживают эти процессы во времени и по частоте и показывают, что разные порядки гармоник доминируют за счёт различных сочетаний этих путей. Низкие гармоники около порога, порядка седьмой и девятой, особенно чувствительны: они возникают в результате деликатного интерференционного взаимодействия между многофотонными и рикошетными (recollision) путями, что делает их спектры широкими и несколько расплывчатыми. Немного более высокие гармоники, например одиннадцатая, в основном порождаются чистыми, хорошо определёнными рикошетными событиями и по виду ближе к обычным гармоникам высокого порядка.

Формирование «пончиков» в пространстве

Помимо внутреннего механизма, исследователи изучают, как эти вихревые гармоники выглядят в пространстве, когда покидают газовую струю и распространяются дальше. Моделирования показывают богатые кольцевые структуры интенсивности: некоторые гармоники демонстрируют одно яркое кольцо, другие — несколько концентрических колец. Перемещение газовой струи до, в фокусе или после фокуса лазера меняет суммирование разных частей пучка, потому что фаза испускаемого света и условия фокусировки смещаются совместно. Интересно, что общая сила и базовая спектральная форма гармоник около порога едва меняются с положением газовой струи, в отличие от гармоник более высокого порядка с гораздо большими энергиями. Однако их пространственные профили изменяются: седьмая гармоника склонна сохранять структуру с одним кольцом, одиннадцатая остаётся устойчивым чистым кольцом во всех положениях, тогда как девятая очень чувствительна и переключается между одним и несколькими кольцами при изменении условий. Эти узоры связывают с различиями в том, насколько разные части газа поддерживают конструктивное наращивание каждой гармоники вдоль траектории пучка.

К практическим источникам закрученного ВУФ

Соединив микроскопические пути внутри атомов с макроскопической формой выходящего пучка, исследование строит детальную картину того, как формируются и распространяются гармоники‑вихри около порога. Проще говоря, авторы показывают, что закрученный инфракрасный пучок может надёжно перенести свою закрученность на ВУФ‑свет в компактной газовой струйной установке, и что получающиеся пончиковидные пучки можно точно настраивать и понимать. Это закладывает основу для практических настольных источников вихревого ВУФ‑света, которыми лаборатории смогут пользоваться для наблюдения движения электронов, зондирования хиральных систем и изучения ультрафастовых процессов в атомах, молекулах и твердых телах без опоры на гигантские световые установки.

Цитирование: Han, J., Wang, B., Tang, X. et al. Generation of vacuum ultraviolet vortex beams via near-threshold harmonics in argon gas driven by infrared Laguerre-Gaussian lasers. Commun Phys 9, 145 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02579-7

Ключевые слова: вихревой свет, вакуумный ультрафиолет, гармоники высокого порядка, орбитальный угловой момент, ультрафастовая динамика электронов