探秘“光学悬链线”
2020-09-02
在公园里或街道旁，我们常能看见成排的水泥柱子两两之间连以铁链，铁链自然下垂形成一段优美的弧线。再或者，悬索桥、挂着水珠的蜘蛛网、两根电线杆之间的电线等等，都有着相似的曲线形态，这种曲线形态被称为悬链线。
图1 悬索桥
悬链线进入公众视野，源于达芬奇的画作《抱银貂的女人》。这幅画作中，女士脖颈上悬挂的黑色珍珠项链与主人相互映衬呈现出不一样的美与光泽，而达芬奇却心生好奇：固定项链的两端，使其在重力的作用下自然下垂，那么项链所形成的曲线是什么？随着后人研究的深入，悬链线的庐山真面目被揭开。
图2 抱银貂的女人
法国著名昆虫学家法布尔（J. H. Fabre, 1823-915）在其《昆虫记》一书第九卷中有一段文字这样讲：
“每当地心引力和扰性同时发生作用时，悬链线就在现实中出现了。当一条悬链弯曲成两点不在同一垂直线上的曲线时，人们便把这曲线称为悬链线。这就是一条软绳子两端抓住而垂下来的形状；这就是一张被风吹鼓起来的船帆外形的那条线条， 二硅化钼，这就是母山羊耷拉下来的乳房装满后鼓起来的弧线。”
图3 法布尔（J. H. Fabre, 1823-915）的《昆虫记》
“在一个浓雾弥漫的清晨，让我们检视一下夜间刚刚织好的蜘蛛网吧。粘性的蜘蛛丝，负著水滴的重量，弯曲成一条条悬链线，水滴随著曲线的弯曲排成精致的念珠，整整齐齐，晶莹剔透。当阳光穿过雾气，整张带著念珠的网映出彩虹般的亮光，就像一丛灿烂的宝石。”
图4 带水滴的蜘蛛网
可见，大自然中处处可见悬链线，并且从中透露着醉人的自然之美。
科学家们发现，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。那么，它施加到光上的“力”是否也一致呢？在这种奇特的力学特性启发下，中国科学院光电技术研究所团队用粒子束在厚度仅百纳米的平面金属薄膜表面，刻下纳米尺寸的“亚波长悬链线”连续结构，并证实了刻有这种悬链线“花瓣”的金属膜，在光束照射后，可产生稳定可控的折射、反射等光学现象。
在国家973项目“波的衍射极限关键科学问题”课题支持下，光电所微细加工光学技术国家重点实验室在国际上首次研究证实：利用光子自旋—轨道角动量相互作用的物理原理，“悬链线”可以对光产生稳定、可控的“扳手”作用。就是说用“悬链线”结构制造的光学器件，可不借助任何凹凸透镜，仅在“二维”平面上便可实现光的折射、反射，甚至让光旋转成任意姿态。
图5 悬链线光学—完美轨道角动量
传统光学元件其厚度远大于波长，这就是为何天文望远镜、相机镜头需要不同大小的镜头组。但悬链线光学器件，可通过操作纳米级超薄结构的平移、缩放、旋转等，实现光的相位变化，其厚度远小于波长。未来基于悬链线构建的新型光学元器件，具有轻薄的特点，可广泛应用于飞行器、卫星等空间科学探测领域，手机、相机镜头等成像领域。
上述研究成果在美国科学促进会创办的期刊《科学进步》上发表后，受到了国际光学界的广泛关注。《中国科学》对其点评认为，纳米氮化硼，这一发现的证实，“证明了纳米悬链线可用于构建超薄、轻量化的光学器件，有望成为下一代集成光子学的核心”。 （文中部分图片来自网络）
图1 悬索桥
悬链线进入公众视野，源于达芬奇的画作《抱银貂的女人》。这幅画作中，女士脖颈上悬挂的黑色珍珠项链与主人相互映衬呈现出不一样的美与光泽，而达芬奇却心生好奇：固定项链的两端，使其在重力的作用下自然下垂，那么项链所形成的曲线是什么？随着后人研究的深入，悬链线的庐山真面目被揭开。
图2 抱银貂的女人
法国著名昆虫学家法布尔（J. H. Fabre, 1823-915）在其《昆虫记》一书第九卷中有一段文字这样讲：
“每当地心引力和扰性同时发生作用时，悬链线就在现实中出现了。当一条悬链弯曲成两点不在同一垂直线上的曲线时，人们便把这曲线称为悬链线。这就是一条软绳子两端抓住而垂下来的形状；这就是一张被风吹鼓起来的船帆外形的那条线条， 二硅化钼，这就是母山羊耷拉下来的乳房装满后鼓起来的弧线。”
图3 法布尔（J. H. Fabre, 1823-915）的《昆虫记》
“在一个浓雾弥漫的清晨，让我们检视一下夜间刚刚织好的蜘蛛网吧。粘性的蜘蛛丝，负著水滴的重量，弯曲成一条条悬链线，水滴随著曲线的弯曲排成精致的念珠，整整齐齐，晶莹剔透。当阳光穿过雾气，整张带著念珠的网映出彩虹般的亮光，就像一丛灿烂的宝石。”
图4 带水滴的蜘蛛网
可见，大自然中处处可见悬链线，并且从中透露着醉人的自然之美。
科学家们发现，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。那么，它施加到光上的“力”是否也一致呢？在这种奇特的力学特性启发下，中国科学院光电技术研究所团队用粒子束在厚度仅百纳米的平面金属薄膜表面，刻下纳米尺寸的“亚波长悬链线”连续结构，并证实了刻有这种悬链线“花瓣”的金属膜，在光束照射后，可产生稳定可控的折射、反射等光学现象。
在国家973项目“波的衍射极限关键科学问题”课题支持下，光电所微细加工光学技术国家重点实验室在国际上首次研究证实：利用光子自旋—轨道角动量相互作用的物理原理，“悬链线”可以对光产生稳定、可控的“扳手”作用。就是说用“悬链线”结构制造的光学器件，可不借助任何凹凸透镜，仅在“二维”平面上便可实现光的折射、反射，甚至让光旋转成任意姿态。
图5 悬链线光学—完美轨道角动量
传统光学元件其厚度远大于波长，这就是为何天文望远镜、相机镜头需要不同大小的镜头组。但悬链线光学器件，可通过操作纳米级超薄结构的平移、缩放、旋转等，实现光的相位变化，其厚度远小于波长。未来基于悬链线构建的新型光学元器件，具有轻薄的特点，可广泛应用于飞行器、卫星等空间科学探测领域，手机、相机镜头等成像领域。
上述研究成果在美国科学促进会创办的期刊《科学进步》上发表后，受到了国际光学界的广泛关注。《中国科学》对其点评认为，纳米氮化硼，这一发现的证实，“证明了纳米悬链线可用于构建超薄、轻量化的光学器件，有望成为下一代集成光子学的核心”。 （文中部分图片来自网络）