悬链线光学新成果：从“根”上突破，纳米级精度结构使显微镜头更轻薄

悬链线光学新成果：从“根”上突破，纳米级精度结构使显微镜头更轻薄

给光设计一个 “扳手”，镜头就能变得更加轻薄。在未来，显微镜、相机镜头、望远镜或许不再需要那些笨重且复杂的镜头组了。仅凭借纳米级的超薄结构薄膜，就能够实现对光的相位调控，这正是 “悬链线光学” 令人期待的应用前景之一。

就在不久前，中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长罗先刚及其团队，凭借此项研究成果，荣获 2023 年度国家自然科学奖二等奖。这一荣誉不仅是对他们研究工作的高度认可，也为光学领域的发展注入了强大动力。

什么是悬链线？

悬链线最初进入公众的视野，是因为达芬奇的杰出画作《抱银貂的女人》。在这幅充满魅力的作品中，女士脖颈上悬挂着的黑色珍珠项链，与主人相互辉映，绽放出别样的美与迷人光泽。然而，达芬奇却对此产生了浓厚的好奇：倘若固定项链的两端，让其在重力的自然作用下垂直下垂，那么由此形成的曲线究竟会是何种模样？这一疑问，开启了后人对于悬链线的探索之旅。随着一代又一代学者不断深入地研究，悬链线的真实面目逐渐得以揭开。

从外观上观察，悬链线的确与抛物线有着极高的相似度。荷兰著名的物理学家惠更斯运用物理方法，成功证明了这条曲线并非抛物线。但至于它究竟是什么，惠更斯在当时也未能给出确切的答案。

时间推移，直到与达芬奇的时代相隔 170 年后，声名远扬的雅各布・伯努利在一篇具有重要意义的论文中，郑重地提出了确定悬链线性质（也就是方程）的关键问题。如同伽利略一样，雅各布始终坚信悬链线就是一条抛物线。为了解开这一谜题，雅各布与这道难题持续进行了整整一年的艰苦搏斗，但最终还是未能获得理想的结果。

令人惊叹的是，雅各布的弟弟约翰・伯努利仅仅牺牲了 “整整一晚” 的宝贵休息时间，就成功地破解了这道困扰众人许久的难题。

就在日前，科学家们又有了新奇的发现，在众多形式的悬链线当中，有一种被称为 “等强度悬链线” 的类型，它能够有效地保持结构在不同位置的受力完全一致。那么，当把它施加到光上时，所产生的 “力” 是否也能保持相同呢？

在这种独特的力学特性的启发之下，中国科学院光电技术研究所的团队巧妙地运用粒子束，在厚度仅仅百纳米的平面金属薄膜表面，精心刻下了纳米尺寸的 “亚波长悬链线” 连续结构。并且经过严谨的实验证实，刻有这种悬链线 “花瓣” 的金属膜，在光束的照射之后，能够产生稳定且可控的折射、反射等令人瞩目的光学现象。

十年头脑风暴

事实上，早在 2003 年，罗先刚便带领着他的团队开始尝试运用各种各样的数学方法，对纳米尺度的异常光学现象展开深入研究，他们怀揣着殷切的期望，想要从原理层面打破传统光学理论所施加的限制。在这漫长的十年时间里，头脑风暴从未停歇，计算工作也始终持续进行着。众多创新尝试的确取得了显著的应用效果，然而，这些成果背后的物理机理却依旧不够清晰明了。

面对这一困境，究竟该如何是好？答案是回归到基本的物理问题 —— 相位因子。杨振宁曾经对 20 世纪的物理学做出了精彩概括，指出其三大主旋律分别为：量子化、对称性和相位因子。在日常的研究过程中，罗先刚也反复强调，必须要从基本的物理和数学层面着手，开展具有原创性的研究工作。他坚定地认为：“微观光学就如同一个巨大的宝藏，我们必须另辟蹊径，从科学研究的‘根本’之处实现突破。”

那么，重新出发，是否能够带来具有原创性的突破呢？在以往的研究当中，科学家们通常会采用离散型结构来实现相位调控。离散型结构虽然在调控自由度方面具有优势，并且有相关的表格可供查询参考，但它却容易引发相位误差，进而导致效率降低。

“像眼镜、反射镜、望远镜等各种透镜的表面都是光滑且连续的，那么我们能否设计出一种非离散型结构，使得相位分布也能呈现出这样的特性呢？” 罗先刚的这一番话，犹如一把钥匙，瞬间打开了全新的研究思路。这一思路的提出，为后续的研究工作指明了方向，也让团队成员们看到了突破的希望，激励着他们在探索未知的道路上继续奋勇前行。

具体到透镜设计

设计结构的过程很像在做集成电路，需要把每个结构的走向、尺寸设计出来，并且精确到纳米级别。尤其是在设计透镜或者涡旋光产生器的时候，团队可谓是费尽了心思和功夫。在人工智能尚未得到广泛应用的时期，借助计算机编程辅助，团队成员们亲力亲为，自己搭建模型、进行精密计算。

“在百毫米量级的范围内要设置大量纳米结构，必须让计算机按照一定的函数规则去编程。” 蒲明博详细地描述着当时的情景。为了实现这一目标，他们需要投入大量的时间和精力，不断调试和优化程序，以确保计算结果的准确性和可靠性。

当模型成功搭建，图形逐渐显露，接下来的关键就是推导出函数式。这并非易事，团队成员们翻阅了大量的数学资料，进行了无数次的尝试和验证。在经历了漫长而艰苦的探索之后，终于确定产生连续线性相位的结构遵循一种特殊的悬链线函数。那一刻，团队成员都有种 “众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处” 的感慨。所有的疲惫和困惑在瞬间烟消云散，取而代之的是成功的喜悦和对未来的无限期待。

眼下，团队还在持续深化对悬链线光学的研究。人们究竟能以多高的自由度来塑造光？这是一个充满挑战和未知的问题，而探索悬链线光学的最高光场调控自由度成为了他们下一步研究的重点。他们深知，前方的道路或许依然充满荆棘，但凭借着坚定的信念和不懈的努力，他们有信心在这一领域取得更加卓越的成就。

本文原文来自先驱网