未來的顯微鏡、望遠鏡甚至相機鏡頭，或許不再需要復(fù)雜、笨重的鏡頭組，僅通過納米級厚度的平面薄膜，便可完成光的聚焦、偏轉(zhuǎn)等控制。
記者日前從中科院光電技術(shù)研究所（以下簡稱光電所）獲悉，在國家973項目“波的衍射極限關(guān)鍵科學(xué)問題”課題支持下，該所微細加工光學(xué)技術(shù)國家重點實驗室在國際上首次研究證實：利用光子自旋—軌道角動量相互作用的物理原理，“懸鏈線”可以對光產(chǎn)生穩(wěn)定、可控的“扳手”作用。就是說用“懸鏈線”結(jié)構(gòu)制造的光學(xué)器件，可不借助任何凹凸透鏡，僅在“二維”平面上便可實現(xiàn)光的折射、反射，甚至讓光旋轉(zhuǎn)成任意姿態(tài)。
懸鏈線與拋物線、月牙線或者半圓線不同，是一條兩端固定的鏈條在重力作用下彎曲形成的曲線。它在生活中隨處可見，橋梁懸索、架空電纜、街道護欄鐵鏈等都是懸鏈線結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在諸多形式的懸鏈線中有一種“等強度懸鏈線”可以保持結(jié)構(gòu)在不同位置受力一致。那么，它施加到光上的“力”是否也一致呢？在這種奇特的力學(xué)特性啟發(fā)下，光電所團隊用粒子束在厚度僅百納米的平面金屬薄膜表面，刻下納米尺寸的“亞波長懸鏈線”連續(xù)結(jié)構(gòu)，并證實了刻有這種懸鏈線“花瓣”的金屬膜，在光束照射后，可產(chǎn)生穩(wěn)定可控的折射、反射等光學(xué)現(xiàn)象。
該團隊負責(zé)人楊磊磊介紹說，傳統(tǒng)意義上光的折射、反射等相位變化，是由于透鏡不同厚度產(chǎn)生，而厚度均勻的平面透鏡不會產(chǎn)生光的相位變化。此次科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，意味著利用“懸鏈線”構(gòu)成的超薄納米結(jié)構(gòu)，能夠在二維平面內(nèi)實現(xiàn)對光的連續(xù)調(diào)控。
“如果把光比喻成行進的列車，過去的凹凸透鏡如同依靠彎曲的軌道調(diào)整列車運行，而現(xiàn)在僅需扳動懸鏈線這個鐵道岔口的‘扳手’，便可改變列車的前進方向?！睏罾诶诮榻B說，為進一步確認懸鏈線的“光學(xué)扳手”作用，研究團隊還在平面金屬薄膜上嘗試刻制出不同形狀的懸鏈線“版畫”，并通過一種“花瓣狀”的圓形排列陣列，產(chǎn)生了攜帶完美軌道角動量，呈螺旋式前進的“光漩渦”。而此前研究中，科學(xué)家們還曾將月牙形、拋物線形結(jié)構(gòu)刻制在平面上觀察光的折射、反射，結(jié)果證實僅有“等強度懸鏈線結(jié)構(gòu)”具有穩(wěn)定的光學(xué)相位變化。
“傳統(tǒng)光學(xué)元件其厚度遠大于波長，這就是為何天文望遠鏡、相機鏡頭需要不同大小的鏡頭組。但懸鏈線光學(xué)器件，可通過操作納米級超薄結(jié)構(gòu)的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等，實現(xiàn)光的相位變化，其厚度遠小于波長?！睏罾诶诮榻B說，未來基于懸鏈線構(gòu)建的新型光學(xué)元器件，具有輕薄的特點，可廣泛應(yīng)用于飛行器、衛(wèi)星等空間探測領(lǐng)域，手機、相機鏡頭等成像領(lǐng)域。
而這個受自然現(xiàn)象啟迪的美妙光學(xué)發(fā)現(xiàn)，在電磁學(xué)、光通訊領(lǐng)域也讓人充滿遐想。楊磊磊說，按照光子自旋—軌道角動量相互作用的原理，懸鏈線還可拓展到包括微波、太赫茲、紅外、可見光在內(nèi)的大部分頻譜范圍，廣泛用于各種電磁器件；而采用懸鏈線結(jié)構(gòu)的光通信器件，可在同一波長上傳輸多路信號，提高光通信的頻譜利用率，大大增加光通信的信息傳輸量。
上述研究成果在美國科學(xué)促進會創(chuàng)辦的最新期刊《科學(xué)進步》上發(fā)表后，受到了國際光學(xué)界的廣泛關(guān)注。《中國科學(xué)》對其點評認為，這一發(fā)現(xiàn)的證實，“證明了納米懸鏈線可用于構(gòu)建超薄、輕量化的光學(xué)器件，有望成為下一代集成光子學(xué)的核心”。
