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悬链线光学

悬链线光学（英语：Catenary Optics）是现代光学的一个分支，研究利用悬链线函数描述亚波长尺度的光学和电磁效应[1]。悬链线函数可分为两类，一类是双曲余弦函数（也称为普通悬链线），可描述两列相向传播的倏逝波干涉形成的电场强度分布[2]；另一类是对数余弦函数（又称为等强度悬链线，英语：Catenary of equal strength），可描述圆偏振光的电场矢量在某一截面形成的流线[1]。由于经典光学中的圆偏振态对应于量子力学中光子的自旋态，利用等强度悬链线构造亚波长结构可高效调控光子的自旋-轨道相互作用[3]。

历史

2015年，Science Advances杂志发表一篇名为《Catenary optics for achromatic generation of perfect optical angular momentum》的研究论文[3]，报道了利用对数余弦函数形状的亚波长结构调控光子的自旋-轨道相互作用，并将其用于产生光学轨道角动量和构造平面超构透镜[4]，被认为在下一代平面光学中具有重要作用[5]。2019年，研究人员进一步将悬链线光学的概念推广到悬链线电磁学[6]，揭示了金属超构表面中悬链线场和悬链线色散的数学关系，并将其用于宽带超构表面的设计。同年，Springer出版了英文专著《Catenary Optics》[1]。

悬链线光学主要关注悬链线函数在亚波长尺度的新效应和新应用。在悬链线光学这一概念正式出现之前，已经有一些利用悬链线函数进行光学调控的研究。以金属-介质表面的表面等离激元（Surface plasmon polariton, SPP）为例，当金属薄膜的厚度或金属膜上狭缝的宽度小于SPP的衰减深度时，相邻的SPP会耦合在一起，其电场和磁场强度满足双曲余弦或双曲正弦函数[7]。2003年，研究人员通过光刻胶记录的方法，实验观测到悬链线形状的光场分布[8]。由于悬链线光场的等效波长远小于真空波长，其通过双缝干涉所形成的条纹周期也远小于波长，该现象被称为“异常杨氏双缝干涉（Extraordinary Young's Interference）”[9]。利用悬链线光场的短波长和长焦深特性，可以构建超分辨成像透镜，在365nm波长单次曝光实现22nm分辨力，结合多重图形等工艺，可进一步将分辨力提升到10nm以下[10]。

应用

悬链线光学的主要内涵有三点：悬链线结构 、悬链线场和悬链线色散 。利用悬链线结构可构造平面透镜，对电磁波和光波进行波前调控；利用悬链线场可实现超分辨光场调控；利用悬链线色散可对宽带超构表面进行快速设计。目前，对悬链线光学的研究还在持续，更多的新现象和新应用还有待发现[1]。

参考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Luo, Xiangang. Catenary Optics. Singapore: Springer Singapore. 2019: XIII, 419. ISBN 978-981-13-4818-1. 
  2. ^ Pu M, Ma X L, Guo Y; et al. Theory of microscopic meta-surface waves based on catenary optical fields and dispersion. Optics Express. 2018, 26: 19555-19562. 
  3. ^ 3.0 3.1 Pu M, Li X, Ma X; et al. Catenary optics for achromatic generation of perfect optical angular momentum. Science Advances. 2015, 1: e1500396. 
  4. ^ 悬链线光学：消色差的完美光学角动量. （原始内容存档于2017-09-11）. 
  5. ^ 神奇的“光学悬链线”：有望成下一代集成光子学核心. （原始内容存档于2018-03-25）. 
  6. ^ Huang Y, Luo J, Pu M; et al. Catenary electromagnetics for ultra‐broadband lightweight absorbers and large‐scale flat antennas. Advanced Science. 2019, 6: 1801691. 
  7. ^ Stefan, Maier. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. 2007. 
  8. ^ Sub 100 nm lithography based on plasmon polariton resonance. （原始内容存档于2020-03-28）. 
  9. ^ Pu M, Guo Y, Li X; et al. Revisitation of extraordinary Young's interference: from catenary optical fields to spin–orbit interaction in metasurfaces. ACS Photonics. 2018, 5: 3198-3204. 
  10. ^ Gao P, Pu M, Ma X; et al. Plasmonic lithography for the fabrication of surface nanostructures with a feature size down to 9 nm. Nanoscale. 2020. 
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