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光学工程
悬链线光学:消色差的完美光学角动量

与电子的轨道角动量类似,光子也具有轨道角动量。近年来,光学轨道角动量在大容量光通信、微粒子操纵等方面展现了光明的应用前景。由于依赖于传播方向光程的累积,传统产生轨道角动量的光学器件体积庞大且笨重,不能满足集成和微纳光学系统的需求。最近,中国科学院光电所罗先刚研究员领导的微细加工光学技术国家重点实验室与新加坡国立大学以及澳大利亚斯威本科技大学合作取得最新科研突破。他们利用一种来自于自然界的“亚波长悬链线”结构,在实验上成功观测到完美的光学轨道角动量,相关研究成果发表在Science杂志的子刊Science Advances【1,e1500396,2015】上。

悬链线是自由悬挂的绳或链在重力作用下表现出来的一种曲线。悬链线结构最早被用来建造各种桥和拱门,用以消除变形力矩并保持建筑稳固。早在1670年,著名物理学家胡克即指出悬链线是一种“真正的数学和力学形式”。在诸多形式的悬链线中,有一种“等强度悬链线”可以保持结构在不同位置受力一致。受这种奇特力学特性的启发,罗先刚研究员团队利用聚焦粒子束在厚度仅为百纳米的金属薄膜上制备了纳米尺寸的悬链线结构,并验证了该结构可产生具有相同相位梯度的波前。

“光学悬链线”可被用作一种基本构成单元来构建光学超表面,实现传统光学器件和系统的小型化、轻量化和集成化。除了产生完美轨道角动量以外,悬链线超表面可用于制备诸如平面透镜、平面分束镜等光学器件。与传统的超表面相比,新结构实现了相位在二维平面内的连续调控,可以大幅提高器件的效率并降低噪声。基于悬链线的光学超表面不受电磁谐振的限制,因而工作带宽可以拓展到包括微波、太赫兹、红外在内的整个电磁频谱。


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