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光學工程
懸鏈線光學:消色差的完美光學角動量

與電子的軌道角動量類似,光子也具有軌道角動量。近年來,光學軌道角動量在大容量光通信、微粒子操縱等方面展現了光明的應用前景。由于依賴于傳播方向光程的累積,傳統產生軌道角動量的光學器件體積龐大且笨重,不能滿足集成和微納光學系統的需求。最近,中國科學院光電所羅先剛研究員領導的微細加工光學技術國家重點實驗室與新加坡國立大學以及澳大利亞斯威本科技大學合作取得最新科研突破。他們利用一種來自于自然界的“亞波長懸鏈線”結構,在實驗上成功觀測到完美的光學軌道角動量,相關研究成果發表在Science雜志的子刊Science Advances【1,e1500396,2015】上。

懸鏈線是自由懸掛的繩或鏈在重力作用下表現出來的一種曲線。懸鏈線結構最早被用來建造各種橋和拱門,用以消除變形力矩并保持建筑穩固。早在1670年,著名物理學家胡克即指出懸鏈線是一種“真正的數學和力學形式”。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。受這種奇特力學特性的啟發,羅先剛研究員團隊利用聚焦粒子束在厚度僅為百納米的金屬薄膜上制備了納米尺寸的懸鏈線結構,并驗證了該結構可產生具有相同相位梯度的波前。

“光學懸鏈線”可被用作一種基本構成單元來構建光學超表面,實現傳統光學器件和系統的小型化、輕量化和集成化。除了產生完美軌道角動量以外,懸鏈線超表面可用于制備諸如平面透鏡、平面分束鏡等光學器件。與傳統的超表面相比,新結構實現了相位在二維平面內的連續調控,可以大幅提高器件的效率并降低噪聲。基于懸鏈線的光學超表面不受電磁諧振的限制,因而工作帶寬可以拓展到包括微波、太赫茲、紅外在內的整個電磁頻譜。


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