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給光設(shè)計(jì)一個(gè)“扳手”，鏡頭就能更輕薄。未來(lái)的顯微鏡、相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡，可能不再需要笨重、復(fù)雜的鏡頭組了，僅通過(guò)納米級(jí)的超薄結(jié)構(gòu)薄膜，就能實(shí)現(xiàn)光的相位調(diào)控。

這是“懸鏈線光學(xué)”的應(yīng)用前景之一。不久前，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所所長(zhǎng)羅先剛及其團(tuán)隊(duì)，因?yàn)檫@項(xiàng)研究，榮獲2023年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。他們?cè)趪?guó)際上首次證實(shí)：利用光子自旋-軌道角動(dòng)量相互作用的物理原理，懸鏈線可以對(duì)光產(chǎn)生穩(wěn)定、可控的“扳手”作用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，用懸鏈線結(jié)構(gòu)制造的光學(xué)器件，不借助任何凹凸鏡面，在二維平面上就能實(shí)現(xiàn)光的異常折射、反射，甚至讓光旋轉(zhuǎn)成任意姿態(tài)。

懸鏈線光學(xué)-完美軌道角動(dòng)量

什么是懸鏈線？它是一條兩端固定的鏈條在重力作用下彎曲形成的曲線。生活中常見(jiàn)的蜘蛛網(wǎng)、電線、晾衣繩等都是懸鏈線結(jié)構(gòu)。就是這樣一條看似簡(jiǎn)單的曲線，隱藏著光學(xué)變革的秘密。

這個(gè)變革跨越數(shù)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)，充滿奇思妙想。

從2003年開(kāi)始，羅先剛就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)嘗試用各種數(shù)學(xué)方法研究納米尺度的異常光學(xué)現(xiàn)象，希望從原理層面突破傳統(tǒng)光學(xué)理論的限制。

這一找，就是十年。

十年間，頭腦風(fēng)暴不停，計(jì)算不停，諸多創(chuàng)新嘗試雖然取得顯著應(yīng)用效果，但其背后的物理機(jī)理仍然不夠清晰。

怎么辦？回到基本物理問(wèn)題——相位因子。楊振寧曾概括20世紀(jì)物理學(xué)的三大主旋律：量子化、對(duì)稱性和相位因子。在日常研究中，羅先剛也反復(fù)提及，要從基本物理和數(shù)學(xué)層面去開(kāi)展原創(chuàng)性的研究，“微觀光學(xué)是一個(gè)巨大寶藏，必須獨(dú)辟蹊徑，從科學(xué)研究的‘根’上進(jìn)行突破”。

重新出發(fā)，會(huì)帶來(lái)原創(chuàng)性突破嗎？在既往研究中，科學(xué)家通常采用離散型結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)相位調(diào)控。離散型結(jié)構(gòu)調(diào)控自由度高、有表可查，但容易帶來(lái)相位誤差，導(dǎo)致效率降低。

“眼鏡、反射鏡、望遠(yuǎn)鏡等各種透鏡的表面都是光滑和連續(xù)的，能否設(shè)計(jì)出一種非離散型結(jié)構(gòu)讓相位分布也如此呢？”羅先剛的一句話，打開(kāi)了研究思路。

“設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程很像在做集成電路，需要把每個(gè)結(jié)構(gòu)的走向、尺寸設(shè)計(jì)出來(lái)，并且精確到納米級(jí)別�！眻F(tuán)隊(duì)成員蒲明博回憶。

尤其在設(shè)計(jì)透鏡或者渦旋光產(chǎn)生器時(shí)，團(tuán)隊(duì)費(fèi)盡功夫。在人工智能尚未廣泛應(yīng)用時(shí)，借助計(jì)算機(jī)編程輔助，團(tuán)隊(duì)自己搭建模型、精密計(jì)算。“在百毫米量級(jí)范圍內(nèi)要設(shè)置大量納米結(jié)構(gòu)，必須讓計(jì)算機(jī)按照一定的函數(shù)規(guī)則去編程�！逼衙鞑┱f(shuō)。

模型搭起，圖形顯露，推導(dǎo)出函數(shù)式。直到翻閱大量數(shù)學(xué)資料后，才確定產(chǎn)生連續(xù)線性相位的結(jié)構(gòu)遵循一種特殊的懸鏈線函數(shù)。那一刻，團(tuán)隊(duì)成員都有種“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的感慨。

眼下，團(tuán)隊(duì)還在持續(xù)深化對(duì)懸鏈線光學(xué)的研究。人們能以多高自由度塑造光？探索懸鏈線光學(xué)的最高光場(chǎng)調(diào)控自由度是下一步研究重點(diǎn)。