懸鏈線光學
懸鏈線光學（英語：Catenary Optics）是現代光學的一個分支，研究利用懸鏈線函數描述亞波長尺度的光學和電磁效應[1]。懸鏈線函數可分為兩類，一類是雙曲餘弦函數（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[2]；另一類是對數餘弦函數（又稱為等強度懸鏈線，英語：Catenary of equal strength），可描述圓偏振光的電場矢量在某一截面形成的流線[1]。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[3]。
歷史
2015年，Science Advances雜誌發表一篇名為《Catenary optics for achromatic generation of perfect optical angular momentum》的研究論文[3]，報道了利用對數餘弦函數形狀的亞波長結構調控光子的自旋-軌道相互作用，並將其用於產生光學軌道角動量和構造平面超構透鏡[4]，被認為在下一代平面光學中具有重要作用[5]。2019年，研究人員進一步將懸鏈線光學的概念推廣到懸鏈線電磁學[6]，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，並將其用於寬帶超構表面的設計。同年，Springer出版了英文專著《Catenary Optics》[1]。
懸鏈線光學主要關注懸鏈線函數在亞波長尺度的新效應和新應用。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數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數[7]。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[8]。由於懸鏈線光場的等效波長遠小於真空波長，其通過雙縫干涉所形成的條紋周期也遠小於波長，該現象被稱為「異常楊氏雙縫干涉（Extraordinary Young's Interference）」[9]。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波長單次曝光實現22nm分辨力，結合多重圖形等工藝，可進一步將分辨力提升到10nm以下[10]。
應用
懸鏈線光學的主要內涵有三點：懸鏈線結構 、懸鏈線場和懸鏈線色散 。利用懸鏈線結構可構造平面透鏡，對電磁波和光波進行波前調控；利用懸鏈線場可實現超分辨光場調控；利用懸鏈線色散可對寬帶超構表面進行快速設計。目前，對懸鏈線光學的研究還在持續，更多的新現象和新應用還有待發現[1]。
參考
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Luo, Xiangang. Catenary Optics. Singapore: Springer Singapore. 2019: XIII, 419. ISBN 978-981-13-4818-1.
- ^ 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.
- ^ 3.0 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.
- ^ 悬链线光学：消色差的完美光学角动量. （原始內容存檔於2017-09-11）.
- ^ 神奇的“光学悬链线”：有望成下一代集成光子学核心. （原始內容存檔於2018-03-25）.
- ^ 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.
- ^ Stefan, Maier. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. 2007.
- ^ Sub 100 nm lithography based on plasmon polariton resonance. （原始內容存檔於2020-03-28）.
- ^ 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.
- ^ 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.