2026年7月6日，加利福尼亚州利弗莫尔——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波浪一样来回振荡。但假如激光本身能像漩涡一样扭曲呢？研究人员现已展示了一种旋转的、弹簧形状的激光脉冲，为聚变能源、粒子加速、天体物理学及更广泛的领域开辟了新的可能性。

来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和加州大学尔湾分校的科学家们，首次演示了高强度“光弹簧”激光。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。如果照射到墙上，其光斑图案会随时间画出圆圈。

借助专用分束器和精密自由曲面光学器件，科学家们产生了一种新型的、像弹簧一样旋转的高强度激光。图片来源：LLNL/Brendan Thompson。 

LLNL科学家、该研究的主要作者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配置。基本上就是一个圆形光斑——没什么特别的。这就像用锤子敲击等离子体。我们感兴趣的是在空间和时间上都具有结构性的激光脉冲，因为它们能让我们做一些不寻常的事情，比如搅动等离子体。”

该光束的旋转速度可在很宽范围内调节——包括表观速度超过光速的情况，而这并不违反相对论。这一能力将使研究人员能够驱动尚未在实验中进行探索的新型等离子体波。

这一突破依赖于LLNL国家点火装置与光子科学理事会迄今制造出的部分最精密的自由曲面光学器件。研究人员首先使用专用分束器将一束宽带激光分成两束：一束包含较短波长，另一束包含较长波长。然后，每束光都从定制的纳米结构反射镜上反射。

用肉眼看去，这些反射镜看起来完全平坦，但实际上，每面镜子的表面都刻蚀着极其微妙的螺旋图案。如果将这块6英寸的镜子放大到一英里宽，其螺旋台阶的高度大约只有半英寸。

“对于其中一些自由曲面光学器件，整个器件上设计值与成品之间的差异仅为大约5纳米，”LLNL光学与材料科学技术项目主任、作者Tayyab Suratwala说，“我们说的是几乎达到原子尺度。”

这一成果依赖于在大型光学器件研磨和抛光方面具备的关键专业技术，其精度达到了前所未有的水平。

从这些反射镜反射后，第二个分束器将两束光重新合并，使它们在空间和时间上精确对齐。其结果是产生了一种新型激光脉冲，外观类似于扭曲的DNA链。

该激光器由加州大学尔湾分校的一个团队（包括LLNL前实习生Danny Attiyah和教授Franklin Dollar）组装并进行了测试。

“在《捉鬼敢死队》中，他们用的质子背包发射一束光束从中间射出，另一束则环绕其螺旋前进，”Dollar说，“在高强度条件下，我们以前只知道如何制造中间的那束光。现在，我们也能制造螺旋环绕的光束了。”

模拟研究表明，光弹簧可以高效驱动螺旋等离子体波，其行为类似于微小的电磁线圈。利用这些高精度光学器件，一个桌面级的激光系统就有可能产生超过100特斯拉的磁场——这可与实验室中迄今产生的一些最强磁场相媲美。

“好处在于，这一切都是在一种真的可以放在桌面上的激光器上完成的，”Longman说，“你不需要拥有那些大型的、耗资数百万美元的激光器来做原创性工作。”

如此强的磁场可以为研究物质在极端条件下的行为提供新的平台。研究人员可以利用它们来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的行为及其发出的光。

光弹簧的一个潜在应用是等离子体粒子加速。在传统的等离子体加速器中，电子最终可能会跑过加速它们的激光脉冲，从而限制其获得的能量。模拟表明，光弹簧驱动的螺旋等离子体波可以克服这一限制。由于波在传播时会旋转，电子可能在加速区域停留更长的距离，从而获得更高的能量。

“我们真的可以大幅提高加速粒子的场强，”Dollar说，“我们可以在大约一厘米的距离内，获得与大型加速器设施可能达到的相当的能量。”

科学家们将继续测试该激光器并探索其广泛的应用。他们还在研究一种设计，可以将所有光学器件集成到单个组件中——这一成就将使光弹簧的实现和规模化应用变得容易得多。

”如果我们把这种能力创造出来，人们就会利用它” 。他说，“我们团队做了很多这样的工作，开发一项技术，然后看着它被应用。这非常令人满足。这正是驱使我们从事这类工作的动力。”

该研究发表在《自然·光子学》上（www.doi.org/10.1038/s41566-026-01948-6）。