【曬曬科技新成果】
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，僅透過奈米級的超薄結構薄膜，就能實作光的相位調控。
這是「懸鏈線光學」的套用前景之一。不久前，中國工程院院士、中國科學院光電技術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-軌域角動量交互作用的物理原理，懸鏈線可以對光產生穩定、可控的「扳手」作用。簡單來說，用懸鏈線結構制造的光學器件，不借助任何凹凸鏡面，在二維平面上就能實作光的異常折射、反射，甚至讓光旋轉成任意姿態。
什麽是懸鏈線？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、電線、晾衣繩等都是懸鏈線結構。就是這樣一條看似簡單的曲線，隱藏著光學變革的秘密。
這個變革跨越數學、力學、光學，充滿奇思妙想。
從2003年開始，羅先剛就帶領團隊嘗試用各種數學方法研究奈米尺度的異常光學現象，希望從原理層面突破傳統光學理論的限制。
這一找，就是十年。
十年間，頭腦風暴不停，計算不停，諸多創新嘗試雖然取得顯著套用效果，但其背後的物理機理仍然不夠清晰。
怎麽辦？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，要從基本物理和數學層面去開展原創性的研究，「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，會帶來原創性突破嗎？在既往研究中，科學家通常采用離散型結構去實作相位調控。離散型結構調控自由度高、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的，能否設計出一種非離散型結構讓相位分布也如此呢？」羅先剛的一句話，開啟了研究思路。
「設計結構的過程很像在做積體電路，需要把每個結構的走向、尺寸設計出來，並且精確到奈米級別。」團隊成員蒲明博回憶。
尤其在設計透鏡或者渦旋光產生器時，團隊費盡功夫。在人工智慧尚未廣泛套用時，借助電腦編程輔助，團隊自己搭建模型、精密計算。「在百公釐量級範圍內要設定大量奈米結構，必須讓電腦按照一定的函式規則去編程。」蒲明博說。
模型搭起，圖形顯露，推匯出函式式。直到翻閱大量數學資料後，才確定產生連續線性相位的結構遵循一種特殊的懸鏈線函式。那一刻，團隊成員都有種「眾裏尋他千百度，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控自由度是下一步研究重點。
（本報記者 趙 潔）
