① Miles Padgett 把光折成難以想象的形狀。

②Pierre Berini 通過“等離子體(ti) 振子”在納米層麵利用光。

③ Margaret Murnane 在一個(ge) 桌麵上製作出超短激光脈衝(chong) 。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拿下懸掛在他位於(yu) 英國格拉斯哥大學辦公室天花板上的一個(ge) 像彩虹一樣五顏六色的螺旋形物體(ti) ，開始描述關(guan) 於(yu) 扭曲光的概念。隨後，他停頓下來，在房間裏搜索了更多的道具：晚餐盤、紙張、鉛筆，甚至還有聖誕節剩餘(yu) 的巧克力。

他解釋說，光是由振蕩的電和磁場構成的。在一束常規激光束中，振蕩經常是共生的，發生振蕩的光束的一麵和另一麵的波峰和波穀相對稱。（Padgett把堆疊的晚餐盤向前移動著解釋平麵波或平行波。）

但當部分光束失去同步效應之後，事情變得有趣起來。Padgett指向這個(ge) 螺旋體(ti) ：波前峰可以通過操作沿著光束移動的方向形成“螺錐”形。這是扭曲後的光，Padgett介紹說，他曾花費20年時間學習(xi) 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(yu) 同事說，在此過程中，他培養(yang) 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。”英國布裏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(chan) 生什麽(me) 結果的本領。”

Padgett是個(ge) 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(hui) 。正是一次偶然的機會(hui) ，讓他開始了對光的扭曲研究。1994年，在英國聖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麵的話題。但是話題卻轉移到了Allen關(guan) 於(yu) 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(yu) 同事不僅(jin) 學會(hui) 了如何扭曲光，而且還設計了一種讓光成為(wei) 固定細胞和其他微型粒子並把它們(men) 旋轉成任何姿態的“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(ge) 簡單例子是數字放映機，通過一個(ge) 個(ge) 像素逐漸改變一束光的強度從(cong) 而創造出新的圖像。而更加複雜的例子則有如液晶顯示器，當光通過每個(ge) 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”——即波峰和波穀的相對位置。在堆疊的晚餐盤的類比中，所有的盤子會(hui) 變形和彎曲。

讓光扭曲是把這種彎曲進行到極限，從(cong) 而讓波形成螺旋狀。它意味著，光束不僅(jin) 會(hui) 在遇到的物體(ti) 上形成輻射壓力，並把物體(ti) 向前推，而且還會(hui) 讓它們(men) 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(ti) 內(nei) 部的細胞，並測量細胞的剛性，而工程學家可以用其創造獨特的納米材料，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(jia) 還價(jia) 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(mai) 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現一些關(guan) 鍵商品時，經常會(hui) 批量購進，有時這些設備看起來像是無用的廢棄物。“它們(men) 經常會(hui) 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(ti) 研究領域的領袖，這是一種通過光來操縱電子的技術，該技術可用於(yu) 超高速計算機信息傳(chuan) 輸。為(wei) 了在通信行業(ye) 推進等離子體(ti) 電路的市場化，2000年初，他成立了一個(ge) 由風險投資支持的名為(wei) Spectalis的公司，但數月之後，就親(qin) 曆了網絡泡沫的破裂。最終公司運營以失敗告終，他不得不拍賣掉所有設備並關(guan) 了店麵。然而，他並未被失敗擊倒，並計劃在今年重整旗鼓，成立一家公司，把開發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麵傳(chuan) 播，並與(yu) 絕緣體(ti) ，如空氣、玻璃等產(chan) 生接觸。當用一束激光激發後，這些帶電體(ti) 或等離子體(ti) 會(hui) 生成波動的電並在金屬表麵形成磁場。被固定在這個(ge) 界麵後，電波可以形成漏鬥形狀，並把其波長限製在數十個(ge) 納米之內(nei) ——相當於(yu) 激光波長的1/10。擠壓後的光波比激光的傳(chuan) 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(ti) 。光比電子信號傳(chuan) 播快得多，因為(wei) 用它連接矽片可以大幅提高運算速度。但是光卻受到了其波長的限製：盡管電子元件可以縮小到數十個(ge) 納米，電子通信中使用的紅外光卻不能集中到直徑小於(yu) 1微米的點上。“這是根本上的不相容。”Berini說。由等離子體(ti) 技術獲得的波長更短的等離子體(ti) 波看起來很有前景，但是它們(men) 經常不聽話。因為(wei) 金屬有電阻，由電子運動產(chan) 生的光波很快就會(hui) 消失，僅(jin) 能傳(chuan) 播幾微米。

Berini利用可以精巧地製作出納米結構，並且越來越便宜的現成技術，創造了第一個(ge) 可以傳(chuan) 播數厘米的等離子體(ti) 波。他的實驗室設計了整套電路，使等離子體(ti) 振子沿著厚度低於(yu) 30納米的金屬帶運行。

但是讓等離子體(ti) 波傳(chuan) 播得更遠就要增加光的波長。盡管等離子體(ti) 波比常規光波更小，但這一折衷卻降低了它們(men) 的優(you) 勢，而且Berini發現它很難打破電子通信行業(ye) 的現狀，該行業(ye) 使用的每個(ge) 電子元件已經使用了數十年。因此，他和其他科學家忙於(yu) 研發其他技術，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(you) 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(ti) 波用於(yu) 捕獲太陽能、殺死癌細胞以及製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(yi) 者”。但是Berini表示，正是應用前景推動他的實驗室運行；他把自己的創業(ye) 決(jue) 心歸為(wei) 遺傳(chuan) 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(ge) 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在那裏運行著阿秒（10-18秒）X射線激光脈衝(chong) 領先研究實驗室，這種超短激光脈衝(chong) 的每次閃光時間僅(jin) 有“十億(yi) 分之一秒的十億(yi) 分之一”。

這種超快X光波長極短，但能量很高，經常被用於(yu) 潛入原子深處並在納米級層麵進行成像。通常，這種應用發生在數十億(yi) 美元的、通過把電子加速至光速從(cong) 而產(chan) 生X光的裝置中，如加利福尼亞(ya) 州的直線性連續加速器光源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，從(cong) 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的成功來自於(yu) 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(nei) 水管，但憑借對知識和學習(xi) 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(cong) 此兩(liang) 人一直在一起工作，且彼此之間已建立了深厚的夥(huo) 伴關(guan) 係，Murnane認為(wei) ，這是他們(men) 在科研上取得成功的基礎。“身邊有人不斷挑戰你的觀點非常有益，這種關(guan) 係有利於(yu) 科學研究。”她說。

兩(liang) 人一起解決(jue) 了他們(men) 在研究生期間一開始就試圖解決(jue) 的問題——如何產(chan) 生類似於(yu) 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(men) 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(yu) 聲波類似。在帶弦的樂(le) 器中，輕輕地波動一根弦會(hui) 發出單一的聲調。“一個(ge) 人撥弦的力度越大，就會(hui) 出現更多的高次諧波。”Murnane解釋說，每次產(chan) 生的諧波會(hui) 根據初始的頻率呈更大整數倍增加。

當超短激光脈衝(chong) 在上世紀90年代被發現後，Murnane 和Kapteyn意識到，他們(men) 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(cong) 而產(chan) 生高能光子諧波。他們(men) 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，由於(yu) 光波同步出現，很難增加能量。

Murnane表示，他們(men) 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）脈衝(chong) 也有可能實現。“科學領域的錯誤概念之一是，一些時候認為(wei) 激光已經是一種過時的技術，沒什麽(me) 新東(dong) 西再值得研究。”她說，“這絕非事實。”