从蛛网垂丝到光学革命
什么是悬链线呢, 它是一条在重力作用下弯曲形成的曲线, 且这条曲线是由两端固定的链条形成的了。生活中常见的蜘蛛网、电线、晾衣绳, 它们都是呈悬链线结构的了。就是这样一条看似简单的曲线, 它却隐藏着光学变革的秘密了。
自2003年开始, 罗先刚带领团队致力于探索纳米尺度下的异常光学现象, 试图从原理层面突破传统光学理论的限制, 这一探索持续了十年。在这十年里, 头脑风暴未曾停止, 计算也未曾停歇, 诸多创新尝试虽取得显著应用效果, 但其背后的物理机理却依旧不够清晰。
2015年出现了转折。罗先刚团队在《科学进展》上发表论文, 该刊属于《科学》杂志子刊。他们首次报道利用对数余弦函数形状的亚波长结构调控光子的自旋-轨道相互作用, 还将其用于产生光学轨道角动量以及构造平面超构透镜。这篇论文标志着悬链线光学作为学科分支正式有了。并且团队在国际上首次证实, 依据光子自旋-轨道角动量相互作用的物理原理, 悬链线能够对光产生稳定、可控的“扳手”作用, 此为悬链线光学这一学科分支正式出现的标志。
一根曲线如何“拧动”光波
悬链线结构的光学调控原理, 是扎根于对相位因子的精准操控之中的。在过去的研究里, 科学家们大多运用离散型结构去达成相位调控, 虽说此结构自由度高、操作方便, 然而相位误差的问题却没法避免。罗先刚团队换了个思路, 试着设计出一种非离散型结构, 让相位分布能够更为连续、平滑。
蒲明博, 团队成员, 曾如此描述当年攻关历程, 设计过程恰似制作集成电路, 每个结构的走向以及尺寸都要精心规划, 精确至纳米级别。在缺乏人工智能辅助的往昔岁月里, 他们借助计算机编程以及精密计算搭建模型、推导函数式。通过无数番尝试与修正, 最终确定产生连续线性相位的特殊悬链线函数结构。
和传统光学设计相较, 悬链线光学的突破性清晰可见。传统光学依靠诸如透镜、棱镜这类宏观元件, 其体积大并且功能受到限制。然而悬链线光学运用亚波长结构, 于微小尺度里达成复杂功能。借助悬链线结构制造的光学器件, 不凭借任何凹凸镜面, 在二维平面之上便可实现光的异常折射、反射, 甚至于能让光旋转成任意姿态。
颠覆传统光学设计范式
其突破意义首先体现于对“光学衍射极限”的突破, 悬链线光学有此突破意义。传统光学因为受限于衍射极限所以难以达成超高分辨率成像以及微型化器件。悬链线光学依靠表面等离激元等效应能够在亚波长尺度完成精准操控。借助悬链线光场的短波长以及长焦深特性能够构建超分辨成像透镜, 在365nm波长下单次曝光达成22nm分辨力, 再结合多重图形等工艺能够把分辨力提升到10nm以下。
与诸如超构表面这类的“后起之秀”相较而言, 悬链线光学所具备的独特优势愈发显著地展现出来。传统离散型几何相位超构表面存有相位噪声大这样的问题, 可悬链线光学能够达成宽带连续的几何相位调控, 其结构简单, 制备工艺与半导体制造相兼容, 易于进行大规模集成之操作。2019年之时, 研究延伸至悬链线电磁学领域, 揭示了金属超构表面中场分布以及色散的数学关系, 为宽带超构表面的快速设计提供了全新的路径。
以基础数学原理为起始点, 并非借助进口材料或者设备, 这便是悬链线光学身为“中国方案”所具备的独特价值。它为光子芯片、片上光互连等关键领域给出了一条自主可控的技术路径。
从实验室走向产业革命
悬链线光学的应用前景，正在从科研论文走向产业现实。
在AR/VR显示这个领域当中, 悬链线光学能够达成超薄波导显示, 有希望去搞定当前AR眼镜存在的笨重以及视场角小这样的痛点情况。在2021年的时候, 罗先刚团队报道了基于悬链线光学概念的等相位流线优化方式, 设计出拥有178°视场以及衍射极限像质的平面单片式超构镜头, 和传统的大约20°的成像视场相比较实现了大的跨越提升, 能够直接被用于日间被动成像以及夜间主动成像。
在光通信这个具体领域当中, 悬链线结构能够被运用到光分束器那儿, 悬链线结构还能够被运用到调制器那儿, 悬链线结构也能够被运用到滤波器等核心器件的设计工作之中, 以此达成缩小尺寸的目的, 并且以此使得能耗降低。伴随5G 或者6G以及人工智能这样的情况, 对于数据传输速率持续要求攀升, 悬链线光学器件有希望去推动数据中心光模块的升级迭代。
在超分辨光刻范畴之中, 悬链线光学所存在的潜力同样是不可以小看的。凭借悬链线结构搭建起来的超分辨成像透镜, 为打破传统光刻分辨力边界提供了一种全新的思想通道。加之, 在航天航空、空间科学探测、激光加工、生物传感等高端精密尖端领域, 悬链线光学器件都正在释放而出巨大的应用价值。
以悬链线这种结构而言, 它为达成大视场、轻量化且平面化、还有集成化的光学器件以及系统, 提供了全新的途径。伴随科技强国建设不断地向前推进, 电子信息、光通讯、空间科学探测这些高新技术产业, 将会获得快速的发展 , 悬链线光学器件市场的发展空间, 同样也会持续地拓展。
从一种垂挂放置的链条, 到将光学设计范式予以颠覆的基础性理论, 再转变为对产业格局进行重塑的“中国方案”, 悬链线光学所讲述的故事告知我们: 最为深刻的科学突破, 常常是源自最为质朴的生活观察。你觉得此项“源自生活灵感”的根底研究, 最初会于哪个领域达成大规模应用呢?