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有了“光学扳手”,镜头可以更轻薄

有了“光学扳手”,镜头可以更轻薄

  未来的显微镜、望远镜甚至相机镜头,或许不再需要复杂、笨重的镜头组,仅通过纳米级厚度的平面薄膜,便可完成光的聚焦、偏转等控制。

  记者日前从中科院光电技术研究所(以下简称光电所)获悉,在国家973项目“波的衍射极限关键科学问题”课题支持下,该所微细加工光学技术国家重点实验室在国际上首次研究证实:利用光子自旋—轨道角动量相互作用的物理原理,“悬链线”可以对光产生稳定、可控的“扳手”作用。就是说用“悬链线”结构制造的光学器件,可不借助任何凹凸透镜,仅在“二维”平面上便可实现光的折射、反射,甚至让光旋转成任意姿态。

  悬链线与抛物线、月牙线或者半圆线不同,是一条两端固定的链条在重力作用下弯曲形成的曲线。它在生活中随处可见,桥梁悬索、架空电缆、街道护栏铁链等都是悬链线结构。

  科学家们发现,在诸多形式的悬链线中有一种“等强度悬链线”可以保持结构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?在这幸运28种奇特的力学特性启发下,光电所团队用粒子束在厚度仅百纳米的平面金属薄膜表面,刻下纳米尺寸的“亚波长悬链线”连续结构,并证实了刻有这种悬链线“花瓣”的金属膜,在光束照射后,可产生稳定可控的折射、反射等光学现象。

  该团队负责人杨磊磊介绍说,传统意义上光的折射、反射等相位变化,是由于透镜不同厚度产生,而厚度均匀的平面透镜不会产生光的相位变化。此次科学新发现,意味着利用“悬链线”构成的超薄纳米结构,能够在二维平面内实现对光的连续调控。

  “如果把光比喻成行进的列车,过去的凹凸透镜如同依靠弯曲的轨道调整列车运行,而现在仅需扳动悬链线这个铁道岔口的‘扳手’,便可改变列车的前进方向。”杨磊磊介绍说,为进一步确认悬链线的“光学扳手”作用,研究团队还在平面金属薄膜上尝试刻制出不同形状的悬链线“版画”,并通过一种“花瓣状”的圆形排列阵列,产生了携带完美轨道角动量,呈螺旋式前进的“光漩涡”。而此前研究中,科学家们还曾将月牙形、抛物线形结构刻制在平面上观察光的折射、反射,结果证实仅有“等强度悬链线结构”具有稳定的光学相位变化。

  “传统光学元件其厚度远大于波长,这就是为何天文望远镜、相机镜头需要不同大小的镜头组。但悬链线光学器件,可通过操作纳米级超薄结构的平移、缩放、旋转等,实现光的相位变化,其厚度远小于波长。”杨磊磊介绍说,未来基于悬链线构建的新型光学元器件,具有轻薄的特点,可广泛应用于飞行器、卫星等空间探测领域,手机、相机镜头等成像领域幸运28。

  而这个受自然现象启迪的美妙光学发现,在电磁学、光通讯领域也让人充满遐想。杨磊磊说,按照光子自旋—轨道角动量相互作用的原理,悬链线还可拓展到包括微波、太赫兹、红外、可见光在内的大部分频谱范围,广泛用于各种电磁器件;而采用悬链线结构的光通信器件,可在同一波长上传输多路信号,提高光通信的频谱利用率,大大增加光通信的信息传输量。

  上述研究成果在美国科学促进会创办的最新期刊《科学进步》上发表后,受到了国际光学界的广泛关注。《中国科学》对其点评认为,这一发现的证实,“证明了纳米悬链线可用于构建超薄、轻量化的光学器件,有望成为下一代集成光子学的核心”。

  (原载于《科技日报》 2016-06-22 03版)