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给光设计一个“扳手”

文章来源：光明日报

给光设计一个“扳手”，镜头就能更轻薄。未来的显微镜、相机镜头、望远镜，可能不再需要笨重、复杂的镜头组了，仅通过纳米级的超薄结构薄膜，就能实现光的相位调控。
这是“悬链线光学”的应用前景之一。不久前，中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长罗先刚及其团队，因为这项研究，荣获2023年度国家自然科学奖二等奖。他们在国际上首次证实：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。简单来说，用悬链线结构制造的光学器件，不借助任何凹凸镜面，在二维平面上就能实现光的异常折射、反射，甚至让光旋转成任意姿态。

给光设计一个“扳手”

▲悬链线光学-完美轨道角动量（来源：中国科学院光电技术研究所）
什么是悬链线？它是一条两端固定的链条在重力作用下弯曲形成的曲线。生活中常见的蜘蛛网、电线、晾衣绳等都是悬链线结构。就是这样一条看似简单的曲线，隐藏着光学变革的秘密。
这个变革跨越数学、力学、光学，充满奇思妙想。
从2003年开始，罗先刚就带领团队尝试用各种数学方法研究纳米尺度的异常光学现象，希望从原理层面突破传统光学理论的限制。
这一找，就是十年。
十年间，头脑风暴不停，计算不停，诸多创新尝试虽然取得显著应用效果，但其背后的物理机理仍然不够清晰。
怎么办？回到基本物理问题——相位因子。杨振宁曾概括20世纪物理学的三大主旋律：量子化、对称性和相位因子。在日常研究中，罗先刚也反复提及，要从基本物理和数学层面去开展原创性的研究，“微观光学是一个巨大宝藏，必须独辟蹊径，从科学研究的‘根’上进行突破”。
重新出发，会带来原创性突破吗？在既往研究中，科学家通常采用离散型结构去实现相位调控。离散型结构调控自由度高、有表可查，但容易带来相位误差，导致效率降低。
“眼镜、反射镜、望远镜等各种透镜的表面都是光滑和连续的，能否设计出一种非离散型结构让相位分布也如此呢？”罗先刚的一句话，打开了研究思路。
“设计结构的过程很像在做集成电路，需要把每个结构的走向、尺寸设计出来，并且精确到纳米级别。”团队成员蒲明博回忆。
尤其在设计透镜或者涡旋光产生器时，团队费尽功夫。在人工智能尚未广泛应用时，借助计算机编程辅助，团队自己搭建模型、精密计算。“在百毫米量级范围内要设置大量纳米结构，必须让计算机按照一定的函数规则去编程。”蒲明博说。
模型搭起，图形显露，推导出函数式。直到翻阅大量数学资料后，才确定产生连续线性相位的结构遵循一种特殊的悬链线函数。那一刻，团队成员都有种“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的感慨。
眼下，团队还在持续深化对悬链线光学的研究。人们能以多高自由度塑造光？探索悬链线光学的最高光场调控自由度是下一步研究重点。

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