有了「光學扳手」，鏡頭可以更輕薄

[導讀]有了「光學扳手」，鏡頭可以更輕薄通訊員崔建華賀曉棟本報記者盛利。中國科學》對其點評認為,這一發現的證實,證明了納米懸鏈線可用於構建超薄、輕量化的光學器件,有望成為下一代集成光子學的核心」。

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有了「光學扳手」，鏡頭可以更輕薄

通訊員 崔建華 賀曉棟 本報記者 盛 利

未來的顯微鏡、望遠鏡甚至相機鏡頭，或許不再需要複雜、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、偏轉等控制。

記者日前從中科院光電技術研究所（以下簡稱光電所）獲悉，在國家973項目「波的衍射極限關鍵科學問題」課題支持下，該所微細加工光學技術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」可以對光產生穩定、可控的「扳手」作用。就是說用「懸鏈線」結構製造的光學器件，可不藉助任何凹凸透鏡，僅在「二維」平面上便可實現光的折射、反射，甚至讓光旋轉成任意姿態。

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，橋樑懸索、架空電纜、街道護欄鐵鏈等都是懸鏈線結構。

科學家們發現，在諸多形式的懸鏈線中有一種「等強度懸鏈線」可以保持結構在不同位置受力一致。那麼，它施加到光上的「力」是否也一致呢？在這種奇特的力學特性啟發下，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」連續結構，並證實了刻有這種懸鏈線「花瓣」的金屬膜，在光束照射後，可產生穩定可控的折射、反射等光學現象。

該團隊負責人楊磊磊介紹說，傳統意義上光的折射、反射等相位變化，是由於透鏡不同厚度產生，而厚度均勻的平面透鏡不會產生光的相位變化。此次科學新發現，意味著利用「懸鏈線」構成的超薄納米結構，能夠在二維平面內實現對光的連續調控。

「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整列車運行，而現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。」楊磊磊介紹說，為進一步確認懸鏈線的「光學扳手」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」，並通過一種「花瓣狀」的圓形排列陣列，產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，科學家們還曾將月牙形、拋物線形結構刻制在平面上觀察光的折射、反射，結果證實僅有「等強度懸鏈線結構」具有穩定的光學相位變化。

「傳統光學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。但懸鏈線光學器件，可通過操作納米級超薄結構的平移、縮放、旋轉等，實現光的相位變化，其厚度遠小于波長。」楊磊磊介紹說，未來基於懸鏈線構建的新型光學元器件，具有輕薄的特點，可廣泛應用于飛行器、衛星等空間探測領域，手機、相機鏡頭等成像領域。

而這個受自然現象啟迪的美妙光學發現，在電磁學、光通訊領域也讓人充滿遐想。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、可見光在內的大部分頻譜範圍，廣泛用於各種電磁器件；而採用懸鏈線結構的光通信器件，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促進會創辦的最新期刊《科學進步》上發表後，受到了國際光學界的廣泛關注。《中國科學》對其點評認為，這一發現的證實，「證明了納米懸鏈線可用於構建超薄、輕量化的光學器件，有望成為下一代集成光子學的核心」。

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