光明日報記者 趙 潔
給光設計一個“扳手”，鏡頭就能更輕薄。未來的顯微鏡、相機鏡頭、望遠鏡，可能不再需要笨重、復雜的鏡頭組了，僅通過納米級的超薄結(jié)構(gòu)薄膜，就能實現(xiàn)光的相位調(diào)控。
這是“懸鏈線光學”的應用前景之一。不久前，中國工程院院士、中國科學院光電技術(shù)研究所所長羅先剛及其團隊，因為這項研究，榮獲2023年度國家自然科學獎二等獎。他們在國際上首次證實：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。簡單來說，用懸鏈線結(jié)構(gòu)制造的光學器件，不借助任何凹凸鏡面，在二維平面上就能實現(xiàn)光的異常折射、反射，甚至讓光旋轉(zhuǎn)成任意姿態(tài)。
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單的曲線，隱藏著光學變革的秘密。
這個變革跨越數(shù)學、力學、光學，充滿奇思妙想。
從2003年開始，羅先剛就帶領(lǐng)團隊嘗試用各種數(shù)學方法研究納米尺度的異常光學現(xiàn)象，希望從原理層面突破傳統(tǒng)光學理論的限制。
這一找，就是十年。
十年間，頭腦風暴不停，計算不停，諸多創(chuàng)新嘗試雖然取得顯著應用效果，但其背后的物理機理仍然不夠清晰。
怎么辦？回到基本物理問題——相位因子。楊振寧曾概括20世紀物理學的三大主旋律：量子化、對稱性和相位因子。在日常研究中，羅先剛也反復提及，要從基本物理和數(shù)學層面去開展原創(chuàng)性的研究，“微觀光學是一個巨大寶藏，必須獨辟蹊徑，從科學研究的‘根’上進行突破”。
重新出發(fā)，會帶來原創(chuàng)性突破嗎？在既往研究中，科學家通常采用離散型結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)相位調(diào)控。離散型結(jié)構(gòu)調(diào)控自由度高、有表可查，但容易帶來相位誤差，導致效率降低。
“眼鏡、反射鏡、望遠鏡等各種透鏡的表面都是光滑和連續(xù)的，能否設計出一種非離散型結(jié)構(gòu)讓相位分布也如此呢？”羅先剛的一句話，打開了研究思路。
“設計結(jié)構(gòu)的過程很像在做集成電路，需要把每個結(jié)構(gòu)的走向、尺寸設計出來，并且精確到納米級別?！眻F隊成員蒲明博回憶。
尤其在設計透鏡或者渦旋光產(chǎn)生器時，團隊費盡功夫。在人工智能尚未廣泛應用時，借助計算機編程輔助，團隊自己搭建模型、精密計算。“在百毫米量級范圍內(nèi)要設置大量納米結(jié)構(gòu)，必須讓計算機按照一定的函數(shù)規(guī)則去編程?！逼衙鞑┱f。
模型搭起，圖形顯露，推導出函數(shù)式。直到翻閱大量數(shù)學資料后，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，團隊成員都有種“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，團隊還在持續(xù)深化對懸鏈線光學的研究。人們能以多高自由度塑造光？探索懸鏈線光學的最高光場調(diào)控自由度是下一步研究重點。
《光明日報》（2024年07月28日 01版）