光子与电子的康普顿散射是最基础的电磁过程之一，量子电动力学（QED）可以很好地描述散射光子的能量、角分布性质。然而，对于散射光子的极化特性，QED仅能给出光子-电子180^o背散射（back Compton scattering）这一特殊模式下的精确描述。对于更加普适的光子-电子以一定角度斜散射（slant Compton scattering）模式下的散射光子极化性质描述，QED需要进行复杂的理论约化。近几十年，理论物理学家对光子-电子斜散射模式下光子极化性质的传递进行了一系列研究，但一直缺乏有效的实验验证。

图1. SLEGS光束线站3D图

中国科学院上海高等研究院SLEGS（Shanghai Laser Electron Gamma Source）团队依托我国光子大科学设施——上海光源发展了基于逆康普顿散射的伽马束流装置研究，在国际上首次建成了基于斜入射（slant Compton scattering）模式的能量可调的伽马束流装置—激光伽马线站。同时，团队自主研制了极化伽马测量系统，为测量光子-电子斜散入模式光子极化性质的传递提供了关键的支撑与技术保障。

图2 斜入射模式光子极化性质传递实验原理和布局图

SLEGS研究团队采用上海光源3.5 GeV的高品质电子与0.117 eV（10.64um波长）激光线偏振光光子进行45^o斜散射，首次实现了对出射光子的强度、偏振角（AOP）与偏振度（DOP）的全二维精细测量。该实验直观地揭示了光子与高能电子康普顿散射后，其偏振态的完整传递与分布图景。实验获得的“偏振特征”也揭示了清晰的物理图像：在光束中心区域，偏振度接近完美的100%，且偏振方向被“锁定”在特定角度；而向外围扩展，则呈现出复杂、不对称的偏振分布。该工作直接验证了QED在非对头碰撞几何下的关键预言，同时也为基于斜入射模式发展高极化度的新型伽马射线源开辟了新的技术路径。

图3 实测斜入射模式极化光子偏振角分布

相关工作以“First systematic experimental 2D mapping of linearly polarized 𝛾-ray polarimetric distribution in relativistic Compton scattering”为题在线发表于National Science Review（《国家科学评论》）。论文的第一作者为上海科技大学联合培养博士研究生陈开杰，通讯作者为上海高等研究院许杭华副研究员、范功涛研究员，复旦大学/华东师范大学马余刚院士。

本研究得到国家重点研发计划（2023YFA1606901，2023YFA1602400）及自然科学基金项目的资助。

论文链接：National Science Review, nwag073, https://doi.org/10.1093/nsr/nwag073