① Miles Padgett 把光折成難以想象的形狀。

②Pierre Berini 通過(guò)“等離子體振子”在納米層面利用光。

③ Margaret Murnane 在一個(gè)桌面上制作出超短激光脈沖。圖片來(lái)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(guó)格拉斯哥大學(xué)辦公室天花板上的一個(gè)像彩虹一樣五顏六色的螺旋形物體，開(kāi)始描述關(guān)于扭曲光的概念。隨后，他停頓下來(lái)，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(shuō)，光是由振蕩的電和磁場(chǎng)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(duì)稱。（Padgett把堆疊的晚餐盤向前移動(dòng)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(lái)。Padgett指向這個(gè)螺旋體：波前峰可以通過(guò)操作沿著光束移動(dòng)的方向形成“螺錐”形。這是扭曲后的光，Padgett介紹說(shuō)，他曾花費(fèi)20年時(shí)間學(xué)習(xí)利用光的這種特性。

他率先在不通過(guò)在物理上接觸光的情況下，把大量信息壓縮到光學(xué)信號(hào)中，甚至是把光打成結(jié)。他的合作者與同事說(shuō)，在此過(guò)程中，他培養(yǎng)了一種不常見(jiàn)的對(duì)光的直覺(jué)。“要得知光如何表現(xiàn)，很多其他科學(xué)家可能需要計(jì)算、運(yùn)行模型或是做實(shí)驗(yàn)。”英國(guó)布里斯托大學(xué)理論物理學(xué)家Mark Dennis說(shuō)，“Miles的奇妙天賦之一就是具有預(yù)測(cè)光可以產(chǎn)生什么結(jié)果的本領(lǐng)。”

Padgett是個(gè)喜歡偶遇的人，喜歡讓辦公室充滿各種汲取別人意見(jiàn)的討論機(jī)會(huì)。正是一次偶然的機(jī)會(huì)，讓他開(kāi)始了對(duì)光的扭曲研究。1994年，在英國(guó)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(shí)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(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)在埃塞克斯大學(xué)工作的Allen誘引Padgett說(shuō)，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(huì)了如何扭曲光，而且還設(shè)計(jì)了一種讓光成為固定細(xì)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(shí)質(zhì)上是重新對(duì)光進(jìn)行塑形。重塑光的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是數(shù)字放映機(jī)，通過(guò)一個(gè)個(gè)像素逐漸改變一束光的強(qiáng)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(guò)每個(gè)像素時(shí)，沒(méi)有對(duì)它的強(qiáng)度進(jìn)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(duì)位置。在堆疊的晚餐盤的類比中，所有的盤子會(huì)變形和彎曲。

讓光扭曲是把這種彎曲進(jìn)行到極限，從而讓波形成螺旋狀。它意味著，光束不僅會(huì)在遇到的物體上形成輻射壓力，并把物體向前推，而且還會(huì)讓它們旋轉(zhuǎn)。      “這就像旋轉(zhuǎn)和推動(dòng)門把手，讓門打開(kāi)那樣。”Padgett說(shuō)。利用這種手段，生物學(xué)家可以撞擊到物體內(nèi)部的細(xì)胞，并測(cè)量細(xì)胞的剛性，而工程學(xué)家可以用其創(chuàng)造獨(dú)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(jià)還價(jià)的科學(xué)家，在他的實(shí)驗(yàn)中就可以看到證據(jù)：充滿了他在當(dāng)?shù)貜S家打折時(shí)買來(lái)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(shí)，經(jīng)常會(huì)批量購(gòu)進(jìn)，有時(shí)這些設(shè)備看起來(lái)像是無(wú)用的廢棄物。“它們經(jīng)常會(huì)給你帶來(lái)很多意外驚喜。”他說(shuō)。

Berini對(duì)經(jīng)營(yíng)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(guò)光來(lái)操縱電子的技術(shù)，該技術(shù)可用于超高速計(jì)算機(jī)信息傳輸。為了在通信行業(yè)推進(jìn)等離子體電路的市場(chǎng)化，2000年初，他成立了一個(gè)由風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)營(yíng)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(jì)劃在今年重整旗鼓，成立一家公司，把開(kāi)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(lái)迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)疾病。

這些設(shè)備采用了一種來(lái)自電子波的獨(dú)特的光，這些電子波可以在金屬表面?zhèn)鞑ィ⑴c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(huì)生成波動(dòng)的電并在金屬表面形成磁場(chǎng)。被固定在這個(gè)界面后，電波可以形成漏斗形狀，并把其波長(zhǎng)限制在數(shù)十個(gè)納米之內(nèi)——相當(dāng)于激光波長(zhǎng)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(hào)傳播快得多，因?yàn)橛盟B接硅片可以大幅提高運(yùn)算速度。但是光卻受到了其波長(zhǎng)的限制：盡管電子元件可以縮小到數(shù)十個(gè)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(diǎn)上。“這是根本上的不相容。”Berini說(shuō)。由等離子體技術(shù)獲得的波長(zhǎng)更短的等離子體波看起來(lái)很有前景，但是它們經(jīng)常不聽(tīng)話。因?yàn)榻饘儆须娮?，由電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光波很快就會(huì)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(lái)越便宜的現(xiàn)成技術(shù)，創(chuàng)造了第一個(gè)可以傳播數(shù)厘米的等離子體波。他的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(yùn)行。

但是讓等離子體波傳播得更遠(yuǎn)就要增加光的波長(zhǎng)。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(shì)，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(gè)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(duì)新光源波長(zhǎng)較短的問(wèn)題，即通過(guò)將其擴(kuò)展至應(yīng)用領(lǐng)域，利用光探測(cè)器等把新光源的劣勢(shì)變成優(yōu)勢(shì)；或者采用納米結(jié)構(gòu)擴(kuò)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(yáng)能、殺死癌細(xì)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(shí)驗(yàn)主義者”。但是Berini表示，正是應(yīng)用前景推動(dòng)他的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)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(yíng)著自己的采礦和伐木生意。

超快光

Margaret Murnane是在美國(guó)科羅拉多州JLLA工作的一位物理學(xué)家，這是一個(gè)由科羅拉多州立大學(xué)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局聯(lián)合成立的機(jī)構(gòu)。Murnane和丈夫Henry Kapteyn在那里運(yùn)行著阿秒（10-18秒）X射線激光脈沖領(lǐng)先研究實(shí)驗(yàn)室，這種超短激光脈沖的每次閃光時(shí)間僅有“十億分之一秒的十億分之一”。

這種超快X光波長(zhǎng)極短，但能量很高，經(jīng)常被用于潛入原子深處并在納米級(jí)層面進(jìn)行成像。通常，這種應(yīng)用發(fā)生在數(shù)十億美元的、通過(guò)把電子加速至光速?gòu)亩a(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(yùn)動(dòng)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(lái)自于她對(duì)知識(shí)的渴求。盡管童年時(shí)期，Murnane家中既沒(méi)有中央空調(diào)，也沒(méi)有室內(nèi)水管，但憑借對(duì)知識(shí)和學(xué)習(xí)的熱愛(ài)，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(jiàn)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(rèn)為，這是他們?cè)诳蒲猩先〉贸晒Φ幕A(chǔ)。“身邊有人不斷挑戰(zhàn)你的觀點(diǎn)非常有益，這種關(guān)系有利于科學(xué)研究。”她說(shuō)。

兩人一起解決了他們?cè)谘芯可陂g一開(kāi)始就試圖解決的問(wèn)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(jìn)行電子加速的過(guò)程不同，他們的策略是把可見(jiàn)光的很多光子合成高能X射線光子。這一過(guò)程與聲波類似。在帶弦的樂(lè)器中，輕輕地波動(dòng)一根弦會(huì)發(fā)出單一的聲調(diào)。“一個(gè)人撥弦的力度越大，就會(huì)出現(xiàn)更多的高次諧波。”Murnane解釋說(shuō)，每次產(chǎn)生的諧波會(huì)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(shí)到，他們或許可以利用其劇烈地“撥動(dòng)”電子——使其加速離開(kāi)或靠近氦原子，從而產(chǎn)生高能光子諧波。他們的研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)時(shí)，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(dá)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(shí)現(xiàn)。“科學(xué)領(lǐng)域的錯(cuò)誤概念之一是，一些時(shí)候認(rèn)為激光已經(jīng)是一種過(guò)時(shí)的技術(shù)，沒(méi)什么新東西再值得研究。”她說(shuō)，“這絕非事實(shí)。”