懸鏈線光學

懸鏈線光學是現代光學的一個分支，研究利用懸鏈線函式描述亞波長尺度的光學效應。懸鏈線函式可分為兩類，一類是雙曲餘弦函式（也稱為普通懸鏈線），可描述兩列相向傳播的倏逝波干涉形成的電場強度分布；另一類是對數餘弦函式（又稱為等強度懸鏈線），可描述圓偏振光的電場矢量在某一截面形成的流線，以及一些周期性金屬結構的等效阻抗。由於經典光學中的圓偏振態對應於量子力學中光子的自旋態，利用等強度懸鏈線構造亞波長結構可高效調控光子的自旋-軌道相互作用。

基本介紹

• 中文名：懸鏈線光學
• 外文名：Catenary optics
• 適用領域：光學、光子學、電磁學
• 所屬學科：光學、電磁學
• 形成時間：2015年
• 相關領域：亞波長光學和亞波長電磁學

歷史背景

2015年，《科學》雜誌子刊《科學進展》發表一篇名為《Catenary optics for achromatic generation of perfect optical angular momentum》的研究論文，報導了利用對數餘弦函式形狀的亞波長結構調控光子的自旋-軌道相互作用，並用於產生光學軌道角動量和構造平面超構透鏡，該文標誌著懸鏈線光學作為一個學科分支的正式出現。2019年，《Advanced Science》中的另一篇論文將懸鏈線光學的概念推廣到懸鏈線電磁學，揭示了金屬超構表面中懸鏈線場和懸鏈線色散的數學關係，並將其用於寬頻超構表面的快速設計。同年，Springer出版了專著《Catenary Optics》。

根據定義，懸鏈線光學主要關注懸鏈線函式在亞波長尺度的新效應和新套用。在懸鏈線光學這一概念正式出現之前，已經有一些利用懸鏈線函式進行光學調控的研究。以金屬-介質表面的表面等離激元（Surface plasmon polariton, SPP）為例，當金屬薄膜的厚度或金屬膜上狹縫的寬度小於SPP的衰減深度時，相鄰的SPP會耦合在一起，其電場和磁場強度滿足雙曲餘弦或雙曲正弦函式。2003年，研究人員通過光刻膠記錄的方法，實驗觀測到懸鏈線形狀的光場分布。由於懸鏈線光場的等效波長遠小於真空波長，其干涉所形成的條紋周期也遠小于波長，該現象被稱為“異常楊氏雙縫干涉（Extraordinary Young's Interference）”。

套用

利用懸鏈線光場的短波長和長焦深特性，可以構建超分辨成像透鏡，在365nm波長下單次曝光實現22nm分辨力，結合多重圖形等工藝，可將分辨力提升到10nm以下。

利用懸鏈線結構與圓偏振電場矢量流線的對應關係，可實現對光子自旋-軌道相互作用的有效調控，構建高效率的波前調控器件和平面透鏡。