① Miles Padgett 把光折成難以想象的形狀。
②Pierre Berini 通過“等離子體振子”在納米層面利用光。
③ Margaret Murnane 在一個桌面上制作出超短激光脈沖。圖片來源：《自然》
塑造光，擠壓光，供給光能量，或者把光打成結……當前，科學家正在走向光學應用的新極端。
重塑光
物理學家Miles Padgett拿下懸掛在他位于英國格拉斯哥大學辦公室天花板上的一個像彩虹一樣五顏六色的螺旋形物體，開始描述關于扭曲光的概念。隨后，他停頓下來，在房間里搜索了更多的道具：晚餐盤、紙張、鉛筆，甚至還有圣誕節(jié)剩余的巧克力。
他解釋說，光是由振蕩的電和磁場構成的。在一束常規(guī)激光束中，振蕩經常是共生的，發(fā)生振蕩的光束的一面和另一面的波峰和波谷相對稱。（Padgett把堆疊的晚餐盤向前移動著解釋平面波或平行波。）
但當部分光束失去同步效應之后，事情變得有趣起來。Padgett指向這個螺旋體：波前峰可以通過操作沿著光束移動的方向形成“螺錐”形。這是扭曲后的光，Padgett介紹說，他曾花費20年時間學習利用光的這種特性。
他率先在不通過在物理上接觸光的情況下，把大量信息壓縮到光學信號中，甚至是把光打成結。他的合作者與同事說，在此過程中，他培養(yǎng)了一種不常見的對光的直覺。“要得知光如何表現，很多其他科學家可能需要計算、運行模型或是做實驗。”英國布里斯托大學理論物理學家Mark Dennis說，“Miles的奇妙天賦之一就是具有預測光可以產生什么結果的本領。”
Padgett是個喜歡偶遇的人，喜歡讓辦公室充滿各種汲取別人意見的討論機會。正是一次偶然的機會，讓他開始了對光的扭曲研究。1994年，在英國圣安德魯斯大學做研究員期間，他和物理學家Les Allen在用餐時討論激光科技方面的話題。但是話題卻轉移到了Allen關于扭曲光的實驗。當時在埃塞克斯大學工作的Allen誘引Padgett說，他知道怎樣利用酒瓶瓶頸作放大鏡讓光扭曲。這種新奇的想法讓Padgett 著迷。1997年，他與同事不僅學會了如何扭曲光，而且還設計了一種讓光成為固定細胞和其他微型粒子并把它們旋轉成任何姿態(tài)的“光學扳手”。
Padgett透露，把光變成扳手實質上是重新對光進行塑形。重塑光的一個簡單例子是數字放映機，通過一個個像素逐漸改變一束光的強度從而創(chuàng)造出新的圖像。而更加復雜的例子則有如液晶顯示器，當光通過每個像素時，沒有對它的強度進行任何改變，但取而代之的是，改變了它的“相位”——即波峰和波谷的相對位置。在堆疊的晚餐盤的類比中，所有的盤子會變形和彎曲。
讓光扭曲是把這種彎曲進行到極限，從而讓波形成螺旋狀。它意味著，光束不僅會在遇到的物體上形成輻射壓力，并把物體向前推，而且還會讓它們旋轉。 “這就像旋轉和推動門把手，讓門打開那樣。”Padgett說。利用這種手段，生物學家可以撞擊到物體內部的細胞，并測量細胞的剛性，而工程學家可以用其創(chuàng)造獨特的納米材料，而且扭曲光還提供了一種信息編碼的新途徑。
擠壓光
Pierre Berini是一位知道如何討價還價的科學家，在他的實驗中就可以看到證據：充滿了他在當地廠家打折時買來的激光器、振蕩器和其他物件。這位加拿大渥太華大學的物理學家在發(fā)現一些關鍵商品時，經常會批量購進，有時這些設備看起來像是無用的廢棄物。“它們經常會給你帶來很多意外驚喜。”他說。
Berini對經營失敗的公司有一顆同情心。他是等離子體研究領域的領袖，這是一種通過光來操縱電子的技術，該技術可用于超高速計算機信息傳輸。為了在通信行業(yè)推進等離子體電路的市場化，2000年初，他成立了一個由風險投資支持的名為Spectalis的公司，但數月之后，就親歷了網絡泡沫的破裂。最終公司運營以失敗告終，他不得不拍賣掉所有設備并關了店面。然而，他并未被失敗擊倒，并計劃在今年重整旗鼓，成立一家公司，把開發(fā)的技術應用到手持終端設備的微型感應器上，用來迅速、準確地檢測疾病。
這些設備采用了一種來自電子波的獨特的光，這些電子波可以在金屬表面?zhèn)鞑?，并與絕緣體，如空氣、玻璃等產生接觸。當用一束激光激發(fā)后，這些帶電體或等離子體會生成波動的電并在金屬表面形成磁場。被固定在這個界面后，電波可以形成漏斗形狀，并把其波長限制在數十個納米之內——相當于激光波長的1/10。擠壓后的光波比激光的傳播速度慢得多，因此可以保持同樣的頻率。
在上世紀90年代末，Berini一邊尋找改善普通電器元件和檢光器的方法，一邊研究等離子體。光比電子信號傳播快得多，因為用它連接硅片可以大幅提高運算速度。但是光卻受到了其波長的限制：盡管電子元件可以縮小到數十個納米，電子通信中使用的紅外光卻不能集中到直徑小于1微米的點上。“這是根本上的不相容。”Berini說。由等離子體技術獲得的波長更短的等離子體波看起來很有前景，但是它們經常不聽話。因為金屬有電阻，由電子運動產生的光波很快就會消失，僅能傳播幾微米。
Berini利用可以精巧地制作出納米結構，并且越來越便宜的現成技術，創(chuàng)造了第一個可以傳播數厘米的等離子體波。他的實驗室設計了整套電路，使等離子體振子沿著厚度低于30納米的金屬帶運行。
但是讓等離子體波傳播得更遠就要增加光的波長。盡管等離子體波比常規(guī)光波更小，但這一折衷卻降低了它們的優(yōu)勢，而且Berini發(fā)現它很難打破電子通信行業(yè)的現狀，該行業(yè)使用的每個電子元件已經使用了數十年。因此，他和其他科學家忙于研發(fā)其他技術，以應對新光源波長較短的問題，即通過將其擴展至應用領域，利用光探測器等把新光源的劣勢變成優(yōu)勢；或者采用納米結構擴大等離子波。物理學家現正在利用各種材料研發(fā)各種納米形狀，如星星、木棒以及新月等，這些材料可以把等離子體波用于捕獲太陽能、殺死癌細胞以及制造集成芯片的激光器等。
渥太華大學物理學家Henry Schriemer稱Berini是一位“重視理論研究的典型的實驗主義者”。但是Berini表示，正是應用前景推動他的實驗室運行；他把自己的創(chuàng)業(yè)決心歸為遺傳自父母的特性，他的父母在安大略省經營著自己的采礦和伐木生意。
超快光
Margaret Murnane是在美國科羅拉多州JLLA工作的一位物理學家，這是一個由科羅拉多州立大學和國家標準技術局聯合成立的機構。Murnane和丈夫Henry Kapteyn在那里運行著阿秒（10-18秒）X射線激光脈沖領先研究實驗室，這種超短激光脈沖的每次閃光時間僅有“十億分之一秒的十億分之一”。
這種超快X光波長極短，但能量很高，經常被用于潛入原子深處并在納米級層面進行成像。通常，這種應用發(fā)生在數十億美元的、通過把電子加速至光速從而產生X光的裝置中，如加利福尼亞州的直線性連續(xù)加速器光源SLAC裝置。但Murnane的方法卻可以讓這一技術呈現在餐桌上。這讓科學家可以觀察到原子周圍的電子的運動狀態(tài)，從而了解其化學鍵或是研究其在磁性硬盤中的旋轉情況。
Kapteyn表示，Murnane的成功來自于她對知識的渴求。盡管童年時期，Murnane家中既沒有中央空調，也沒有室內水管，但憑借對知識和學習的熱愛，她取得了今天的成就。Murnane在加州大學伯克利分校讀研究生期間遇見Kapteyn，從此兩人一直在一起工作，且彼此之間已建立了深厚的伙伴關系，Murnane認為，這是他們在科研上取得成功的基礎。“身邊有人不斷挑戰(zhàn)你的觀點非常有益，這種關系有利于科學研究。”她說。
兩人一起解決了他們在研究生期間一開始就試圖解決的問題——如何產生類似于激光的高能光束。和大型科學裝置進行電子加速的過程不同，他們的策略是把可見光的很多光子合成高能X射線光子。這一過程與聲波類似。在帶弦的樂器中，輕輕地波動一根弦會發(fā)出單一的聲調。“一個人撥弦的力度越大，就會出現更多的高次諧波。”Murnane解釋說，每次產生的諧波會根據初始的頻率呈更大整數倍增加。
當超短激光脈沖在上世紀90年代被發(fā)現后，Murnane 和Kapteyn意識到，他們或許可以利用其劇烈地“撥動”電子——使其加速離開或靠近氦原子，從而產生高能光子諧波。他們的研究團隊利用明亮的紫外線光束取得了成功，但是當讓光束保持激光的特點時，由于光波同步出現，很難增加能量。
Murnane表示，他們的研究尚未到達極限——更高能量的X光，甚至是更快的飛秒（10-15 秒）脈沖也有可能實現。“科學領域的錯誤概念之一是，一些時候認為激光已經是一種過時的技術，沒什么新東西再值得研究。”她說，“這絕非事實。”
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
