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，这就是母山羊耷拉下来的乳房装满后鼓起来的弧线。” 

“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3 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，中科院光电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，该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4 悬链线光学—完美轨道角动量 

该团队负责人杨磊磊介绍说，传统意义上光的折射、反射等相位变化，是由于透镜不同厚度产生，而厚度均匀的平面透镜不会产生光的相位变化。此次科学新发现，意味着利用“悬链线”构成的超薄纳米结构，能够在二维平面内实现对光的连续调控。 

“如果把光比喻成行进的列车，过去的凹凸透镜如同依靠弯曲的轨道调整列车运行，而现在仅需扳动悬链线这个铁道岔口的‘扳手’，便可改变列车的前进方向。”杨磊磊介绍说，为进一步确认悬链线的“光学扳手”作用，研究团队还在平面金属薄膜上尝试刻制出不同形状的悬链线“版画”，并通过一种“花瓣状”的圆形排列阵列，产生了携带完美轨道角动量，呈螺旋式前进的“光漩涡”。而此前研究中，科学家们还曾将月牙形、抛物线形结构刻制在平面上观察光的折射、反射，结果证实仅有“等强度悬链线结构”具有稳定的光学相位变化。

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。 

而这个受自然现象启迪的美妙光学发现，在电磁学、光通讯领域也让人充满遐想。杨磊磊说，按照光子自旋—轨道角动量相互作用的原理，悬链线还可拓展到包括微波、太赫兹、红外、可见光在内的大部分频谱范围，广泛用于各种电磁器件；而采用悬链线结构的光通信器件，可在同一波长上传输多路信号，提高光通信的频谱利用率，大大增加光通信的信息传输量。

上述研究成果在美国科学促进会创办的最新期刊《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，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”。 

文章链接：

Mingbo Pu, et al, "Catenary optics for achromatic generation of perfect optical angular momentum," Science Advances, Vol. 1, no. 9, e1500396, DOI: 10.1126/sciadv.1500396

（本文信息来源：中科院光电所）

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