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(jié)……當(dāng)前，科學(xué)家正在走向光學(xué)應(yīng)用的新極端。

重塑光

物理學(xué)家Miles Padgett拿下懸掛在他位于英國格拉斯哥大學(xué)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(guān)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(gòu)成的。在一束常規(guī)激光束中，振蕩經(jīng)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(dāng)部分光束失去同步效應(yīng)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(xué)習(xí)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(xué)信號中，甚至是把光打成結(jié)。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(xiàn)，很多其他科學(xué)家可能需要計算、運行模型或是做實驗。”英國布里斯托大學(xué)理論物理學(xué)家Mark Dennis說，“Miles的奇妙天賦之一就是具有預(yù)測光可以產(chǎn)生什么結(jié)果的本領(lǐng)。”

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(xué)做研究員期間，他和物理學(xué)家Les Allen在用餐時討論激光科技方面的話題。但是話題卻轉(zhuǎn)移到了Allen關(guān)于扭曲光的實驗。當(dāng)時在埃塞克斯大學(xué)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(xué)會了如何扭曲光，而且還設(shè)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(zhuǎn)成任何姿態(tài)的“光學(xué)扳手”。

Padgett透露，把光變成扳手實質(zhì)上是重新對光進行塑形。重塑光的一個簡單例子是數(shù)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(fù)雜的例子則有如液晶顯示器，當(dāng)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(zhuǎn)。      “這就像旋轉(zhuǎn)和推動門把手，讓門打開那樣。”Padgett說。利用這種手段，生物學(xué)家可以撞擊到物體內(nèi)部的細胞，并測量細胞的剛性，而工程學(xué)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(xué)家，在他的實驗中就可以看到證據(jù)：充滿了他在當(dāng)?shù)貜S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(xué)的物理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵商品時，經(jīng)常會批量購進，有時這些設(shè)備看起來像是無用的廢棄物。“它們經(jīng)常會給你帶來很多意外驚喜。”他說。

Berini對經(jīng)營失敗的公司有一顆同情心。他是等離子體研究領(lǐng)域的領(lǐng)袖，這是一種通過光來操縱電子的技術(shù)，該技術(shù)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(fēng)險投資支持的名為Spectalis的公司，但數(shù)月之后，就親歷了網(wǎng)絡(luò)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(shè)備并關(guān)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(shù)應(yīng)用到手持終端設(shè)備的微型感應(yīng)器上，用來迅速、準(zhǔn)確地檢測疾病。

這些設(shè)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(chǎn)生接觸。當(dāng)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(shù)十個納米之內(nèi)——相當(dāng)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(jì)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(shù)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(shù)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(jīng)常不聽話。因為金屬有電阻，由電子運動產(chǎn)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(jié)構(gòu)，并且越來越便宜的現(xiàn)成技術(shù)，創(chuàng)造了第一個可以傳播數(shù)厘米的等離子體波。他的實驗室設(shè)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(xiàn)它很難打破電子通信行業(yè)的現(xiàn)狀，該行業(yè)使用的每個電子元件已經(jīng)使用了數(shù)十年。因此，他和其他科學(xué)家忙于研發(fā)其他技術(shù)，以應(yīng)對新光源波長較短的問題，即通過將其擴展至應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)擴大等離子波。物理學(xué)家現(xiàn)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(xué)物理學(xué)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(yīng)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(jīng)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(xué)家，這是一個由科羅拉多州立大學(xué)和國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局聯(lián)合成立的機構(gòu)。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(lǐng)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(jīng)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(yīng)用發(fā)生在數(shù)十億美元的、通過把電子加速至光速從而產(chǎn)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(shù)呈現(xiàn)在餐桌上。這讓科學(xué)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(xué)鍵或是研究其在磁性硬盤中的旋轉(zhuǎn)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(diào)，也沒有室內(nèi)水管，但憑借對知識和學(xué)習(xí)的熱愛，她取得了今天的成就。Murnane在加州大學(xué)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(guān)系，Murnane認為，這是他們在科研上取得成功的基礎(chǔ)。“身邊有人不斷挑戰(zhàn)你的觀點非常有益，這種關(guān)系有利于科學(xué)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(chǎn)生類似于激光的高能光束。和大型科學(xué)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(diào)。“一個人撥弦的力度越大，就會出現(xiàn)更多的高次諧波。”Murnane解釋說，每次產(chǎn)生的諧波會根據(jù)初始的頻率呈更大整數(shù)倍增加。

當(dāng)超短激光脈沖在上世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(dāng)讓光束保持激光的特點時，由于光波同步出現(xiàn)，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(xiàn)。“科學(xué)領(lǐng)域的錯誤概念之一是，一些時候認為激光已經(jīng)是一種過時的技術(shù)，沒什么新東西再值得研究。”她說，“這絕非事實。”