与光共舞 科学家挑战光学应用新极限

(1)迈尔斯·帕吉特将光线折叠成难以想象的形状。

(2)②皮埃尔·贝里尼通过“等离子体激元”使用纳米水平的光。

(3) margaret murnane在桌面上产生超短激光脉冲。照片来源:自然

塑造光、挤压光、提供光能或把光打成结……目前，科学家们正在光学应用中走向新的极端。

重塑之光

物理学家迈尔斯·帕吉特取下了挂在他英格兰格拉斯哥大学办公室天花板上的彩虹色螺旋形物体，开始描述扭曲光的概念。后来，他停下来，在房间里寻找更多的道具:餐盘、纸、铅笔，甚至还有圣诞节留下的巧克力。

他解释说光是由振荡的电场和磁场组成的。在常规激光束中，振荡通常是共生的，振荡光束一侧的波峰和波谷与另一侧对称。(帕吉特将堆叠的餐盘向前移动，解释平面波或平行波。)

但是当光束的一部分失去同步效果时，事情就变得有趣了。帕吉特指出了这个螺旋:波前峰值可以被操纵，沿着光束运动的方向形成一个“螺旋锥”形状。帕吉特说，这是扭曲的光线。他花了20年时间学习使用光的这一特性。

他率先将大量信息压缩成光信号，而不与光发生物理接触，甚至将光打成结。他的合作者和同事说，在这个过程中，他发展了一种不同寻常的光直觉。"为了了解光的行为，许多其他科学家可能需要计算、运行模型或做实验。"英国布里斯托尔大学的理论物理学家马克·丹尼斯说，“迈尔斯的一个了不起的天赋是他预测光能产生什么的能力。”

帕吉特是一个随意的人，他喜欢让办公室充满讨论的机会，从别人的意见中学习。这是一个偶然的机会，让他开始研究光的扭曲。1994年，当他在英国圣安德鲁斯大学做研究员时，他和物理学家莱斯·艾伦在吃饭时讨论了激光技术的话题。然而，话题转到了艾伦关于扭曲光线的实验上。当时在埃塞克斯大学工作的艾伦诱导帕吉特说，他知道如何利用瓶颈作为放大镜来扭曲光线。这个新奇的想法让帕吉特着迷。1997年，他和他的同事不仅学会了如何扭曲光线，还设计了一种“光学扳手”，使光线变成固定的细胞和其他微小粒子，并将其旋转成任何姿势。

帕吉特透露，把光变成扳手本质上是重塑光。重塑光的一个简单例子是数字投影仪，它逐像素地逐渐改变光束的强度来创建新的图像。一个更复杂的例子就像液晶显示器。当光通过每个像素时，它并不改变其强度，而是改变其“相位”，即波峰和波谷的相对位置。在叠放餐盘的类比中，所有的餐盘都会变形和弯曲。

扭曲光线就是将弯曲推到极限，从而使波呈螺旋状。这意味着光束不仅会在遇到的物体上产生辐射压力并推动它们前进，还会旋转它们。“这就像转动并推动门把手来开门。”帕吉特说。使用这种方法，生物学家可以撞击物体内部的细胞并测量细胞的刚性，而工程师可以用它们来制造独特的纳米材料，而扭曲的光也提供了一种新的信息编码方式。

挤压光

知道如何讨价还价的科学家皮埃尔·贝里尼(Pierre Berini)可以在他的实验中看到证据:他从当地制造商那里买到了大量的激光、振荡器和其他物品。这位加拿大渥太华大学的物理学家经常在发现一些关键商品时大量购买。有时这些设备看起来像无用的废物。“它们经常给你带来很多惊喜。”他说。

贝里尼对经营失败的公司有同情心。他是等离子体研究的领导者，这是一种通过光操纵电子的技术，可用于超高速计算机信息传输。为了促进通信行业等离子电路的市场化，他在2000年初成立了一家风险投资公司Spectalis，但几个月后，他目睹了网络泡沫的破裂。最终，公司的运营以失败告终。他不得不拍卖掉所有的设备并关闭商店。然而，他并没有被打败，他计划今年重组并成立一家公司，将开发的技术应用于手持终端设备的微型传感器，以快速准确地检测疾病。

这些设备使用一种独特的光波，这种光波可以在金属表面传播，并与空气和玻璃等绝缘体接触。当被激光束激发时，这些带电体或等离子体产生波动的电流，并在金属表面形成磁场。在被固定在这个界面上后，电波可以形成一个漏斗形，并将其波长限制在几十纳米——相当于激光波长的1/10。压缩光波的传播速度比激光慢得多，因此可以保持相同的频率。

20世纪90年代末，贝里尼研究等离子体，同时寻找改进普通电子元件和光探测器的方法。光的传播速度比电子信号快得多，因为用它连接硅片可以大大提高计算速度。然而，光受到其波长的限制:尽管电子元件可以缩小到几十纳米，但电子通信中使用的红外光不能集中在直径小于1微米的点上。“这根本不相容。”贝里尼说。通过等离子体技术获得的较短波长的等离子体波看起来很有希望，但它们通常是不服从的。因为金属有电阻，电子运动产生的光波很快就会消失，只能传播几微米。

贝里尼创造了第一个可以传播几厘米的等离子体波，使用现成的技术，可以巧妙地制造纳米结构，变得越来越便宜。他的实验室设计了一个完整的电路，使等离子体振荡器沿着厚度小于30纳米的金属带运行。

然而，为了使等离子体波进一步传播，必须增加光的波长。虽然等离子体比传统光波小，但这种折衷降低了它们的优势，贝里尼发现很难打破电子通信行业的现状，该行业已经使用了几十年的每一个电子元件。因此，他和其他科学家正忙于研究和开发其他技术来处理新光源的短波长问题，即通过将它们扩展到应用领域和使用光检测器等来将新光源的缺点转化为优点；或者采用纳米结构来扩展等离子体波。物理学家现在正在使用各种材料来开发各种纳米形状，如恒星、棒和新月，它们可以利用等离子波来捕获太阳能，杀死癌细胞，并为集成芯片制造激光器。

渥太华大学的物理学家亨利·施里默(Henry Schriemer)称Berini是“一个非常重视理论研究的典型实验主义者”。但是贝里尼说是应用前景驱使他的实验室运行。他把自己的创业决心归功于父母，父母在安大略经营自己的采矿和伐木业务。

超快光

Margaret Murnane是在美国科罗拉多州JLLA工作的物理学家，这是一个由科罗拉多州立大学和国家标准和技术局共同建立的组织。穆尔南和她的丈夫亨利·卡普泰恩经营着阿秒(10-18秒)x射线激光脉冲的领先研究实验室，这种脉冲的闪光时间为“十亿分之一秒”

这种超快的X射线波长极短，但能量很高，通常用于深入原子内部，并在纳米级成像。典型地，这种应用发生在数十亿美元的设备中，这些设备通过将电子加速到光速来产生X射线，例如加州的线性连续加速器光源SLAC设备。但是穆尔南的方法可以让这项技术出现在餐桌上。这使得科学家能够观察电子在原子周围的运动，从而理解它们的化学键或者研究它们在磁性硬盘中的旋转。

Kapteyn说，穆尔南的成功来自她对知识的渴望。尽管穆尔南在童年时没有*空调或室内管道，但她今天取得的成就归功于她对知识和学习的热爱。默纳尼在加州大学伯克利分校读研究生时遇到了卡普泰恩。从那以后，两人一直在一起工作，并建立了深厚的伙伴关系，穆尔南认为这是他们在科学研究中取得成功的基础。“让你周围的人不断挑战你的观点是非常有用的。这种关系有利于科学研究。”她说。

他们一起解决了他们在研究生学习之初试图解决的问题——如何产生类似激光的高能光束。与大型科学设备中的电子加速过程不同，他们的策略是将许多可见光光子合成为高能X射线光子。这个过程类似于声波。在弦乐器中，一个单一的音调是通过轻轻挥动琴弦而产生的。"越是拨动琴弦，就会出现越多的高次谐波."穆尔南解释说，根据初始频率，每次产生的谐波将增加一个更大的整数倍。

当超短激光脉冲在20世纪90年代被发现时，穆纳尼和卡普泰恩意识到他们可能能够用它们来“猛烈地戳”电子——加速它们远离或靠近氦原子，从而产生高能光子谐波。他们的研究小组已经成功地使用了明亮的紫外线光束，但是当光束保持激光特性时，由于光波的同步出现，很难增加能量。

Murnane说他们的研究还没有达到极限——更高能量的X射线和更快的飞秒(10-21秒)脉冲是可能的。“科学领域的一个误解是，有时人们认为激光是过时的技术，没有什么新东西值得研究。”她说，“这绝不是真的。”(路捷)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2015年3月9日)

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