與電子的軌道角動(dòng)量類似，光子也具有軌道角動(dòng)量。近年來，光學(xué)軌道角動(dòng)量在大容量光通信、微粒子操縱等方面展現(xiàn)了光明的應(yīng)用前景。由于依賴于傳播方向光程的累積，傳統(tǒng)產(chǎn)生軌道角動(dòng)量的光學(xué)器件體積龐大且笨重，不能滿足集成和微納光學(xué)系統(tǒng)的需求。最近，中國(guó)科學(xué)院光電所羅先剛研究員領(lǐng)導(dǎo)的微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與新加坡國(guó)立大學(xué)以及澳大利亞斯威本科技大學(xué)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(zhǎng)懸鏈線”結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)上成功觀測(cè)到完美的光學(xué)軌道角動(dòng)量，相關(guān)研究成果發(fā)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(xiàn)出來的一種曲線。懸鏈線結(jié)構(gòu)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(wěn)固。早在1670年，著名物理學(xué)家胡克即指出懸鏈線是一種“真正的數(shù)學(xué)和力學(xué)形式”。在諸多形式的懸鏈線中，有一種“等強(qiáng)度懸鏈線”可以保持結(jié)構(gòu)在不同位置受力一致。受這種奇特力學(xué)特性的啟發(fā)，羅先剛研究員團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生具有相同相位梯度的波前。
“光學(xué)懸鏈線”可被用作一種基本構(gòu)成單元來構(gòu)建光學(xué)超表面，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件和系統(tǒng)的小型化、輕量化和集成化。除了產(chǎn)生完美軌道角動(dòng)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(xué)器件。與傳統(tǒng)的超表面相比，新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相位在二維平面內(nèi)的連續(xù)調(diào)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(xué)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(nèi)的整個(gè)電磁頻譜。