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与光共舞 科学家挑战光学应用新极限
发表时间:2015-03-09 阅读次数:2869次


① Miles Padgett 把光折成难以想象的形状。

②Pierre Berini 通过“等离子体振子”在纳米层面利用光。

③ Margaret Murnane 在一个桌面上制作出超短激光脉冲。图片来源:《自然》

塑造光,挤压光,供给光能量,或者把光打成结……当前,科学家正在走向光学应用的新极端。

重塑光

物理学家Miles Padgett拿下悬挂在他位于英国格拉斯哥大学办公室天花板上的一个像彩虹一样五颜六色的螺旋形物体,开始描述关于扭曲光的概念。随后,他停顿下来,在房间里搜索了更多的道具:晚餐盘、纸张、铅笔,甚至还有圣诞节剩余的巧克力。

他解释说,光是由振荡的电和磁场构成的。在一束常规激光束中,振荡经常是共生的,发生振荡的光束的一面和另一面的波峰和波谷相对称。(Padgett把堆叠的晚餐盘向前移动着解释平面波或平行波。)

但当部分光束失去同步效应之后,事情变得有趣起来。Padgett指向这个螺旋体:波前峰可以通过操作沿着光束移动的方向形成“螺锥”形。这是扭曲后的光,Padgett介绍说,他曾花费20年时间学习利用光的这种特性。

他率先在不通过在物理上接触光的情况下,把大量信息压缩到光学信号中,甚至是把光打成结。他的合作者与同事说,在此过程中,他培养了一种不常见的对光的直觉。“要得知光如何表现,很多其他科学家可能需要计算、运行模型或是做实验。”英国布里斯托大学理论物理学家Mark Dennis说,“Miles的奇妙天赋之一就是具有预测光可以产生什么结果的本领。”

Padgett是个喜欢偶遇的人,喜欢让办公室充满各种汲取别人意见的讨论机会。正是一次偶然的机会,让他开始了对光的扭曲研究。1994年,在英国圣安德鲁斯大学做研究员期间,他和物理学家Les Allen在用餐时讨论激光科技方面的话题。但是话题却转移到了Allen关于扭曲光的实验。当时在埃塞克斯大学工作的Allen诱引Padgett说,他知道怎样利用酒瓶瓶颈作放大镜让光扭曲。这种新奇的想法让Padgett 着迷。1997年,他与同事不仅学会了如何扭曲光,而且还设计了一种让光成为固定细胞和其他微型粒子并把它们旋转成任何姿态的“光学扳手”。

Padgett透露,把光变成扳手实质上是重新对光进行塑形。重塑光的一个简单例子是数字放映机,通过一个个像素逐渐改变一束光的强度从而创造出新的图像。而更加复杂的例子则有如液晶显示器,当光通过每个像素时,没有对它的强度进行任何改变,但取而代之的是,改变了它的“相位”——即波峰和波谷的相对位置。在堆叠的晚餐盘的类比中,所有的盘子会变形和弯曲。

让光扭曲是把这种弯曲进行到极限,从而让波形成螺旋状。它意味着,光束不仅会在遇到的物体上形成辐射压力,并把物体向前推,而且还会让它们旋转。“这就像旋转和推动门把手,让门打开那样。”Padgett说。利用这种手段,生物学家可以撞击到物体内部的细胞,并测量细胞的刚性,而工程学家可以用其创造独特的纳米材料,而且扭曲光还提供了一种信息编码的新途径。

挤压光

Pierre Berini是一位知道如何讨价还价的科学家,在他的实验中就可以看到证据:充满了他在当地厂家打折时买来的激光器、振荡器和其他物件。这位加拿大渥太华大学的物理学家在发现一些关键商品时,经常会批量购进,有时这些设备看起来像是无用的废弃物。“它们经常会给你带来很多意外惊喜。”他说。

Berini对经营失败的公司有一颗同情心。他是等离子体研究领域的领袖,这是一种通过光来操纵电子的技术,该技术可用于超高速计算机信息传输。为了在通信行业推进等离子体电路的市场化,2000年初,他成立了一个由风险投资支持的名为Spectalis的公司,但数月之后,就亲历了网络泡沫的破裂。最终公司运营以失败告终,他不得不拍卖掉所有设备并关了店面。然而,他并未被失败击倒,并计划在今年重整旗鼓,成立一家公司,把开发的技术应用到手持终端设备的微型感应器上,用来迅速、准确地检测疾病。

这些设备采用了一种来自电子波的独特的光,这些电子波可以在金属表面传播,并与绝缘体,如空气、玻璃等产生接触。当用一束激光激发后,这些带电体或等离子体会生成波动的电并在金属表面形成磁场。被固定在这个界面后,电波可以形成漏斗形状,并把其波长限制在数十个纳米之内——相当于激光波长的1/10。挤压后的光波比激光的传播速度慢得多,因此可以保持同样的频率。

在上世纪90年代末,Berini一边寻找改善普通电器元件和检光器的方法,一边研究等离子体。光比电子信号传播快得多,因为用它连接硅片可以大幅提高运算速度。但是光却受到了其波长的限制:尽管电子元件可以缩小到数十个纳米,电子通信中使用的红外光却不能集中到直径小于1微米的点上。“这是根本上的不相容。”Berini说。由等离子体技术获得的波长更短的等离子体波看起来很有前景,但是它们经常不听话。因为金属有电阻,由电子运动产生的光波很快就会消失,仅能传播几微米。

Berini利用可以精巧地制作出纳米结构,并且越来越便宜的现成技术,创造了第一个可以传播数厘米的等离子体波。他的实验室设计了整套电路,使等离子体振子沿着厚度低于30纳米的金属带运行。

但是让等离子体波传播得更远就要增加光的波长。尽管等离子体波比常规光波更小,但这一折衷却降低了它们的优势,而且Berini发现它很难打破电子通信行业的现状,该行业使用的每个电子元件已经使用了数十年。因此,他和其他科学家忙于研发其他技术,以应对新光源波长较短的问题,即通过将其扩展至应用领域,利用光探测器等把新光源的劣势变成优势;或者采用纳米结构扩大等离子波。物理学家现正在利用各种材料研发各种纳米形状,如星星、木棒以及新月等,这些材料可以把等离子体波用于捕获太阳能、杀死癌细胞以及制造集成芯片的激光器等。

渥太华大学物理学家Henry Schriemer称Berini是一位“重视理论研究的典型的实验主义者”。但是Berini表示,正是应用前景推动他的实验室运行;他把自己的创业决心归为遗传自父母的特性,他的父母在安大略省经营着自己的采矿和伐木生意。

超快光

Margaret Murnane是在美国科罗拉多州JLLA工作的一位物理学家,这是一个由科罗拉多州立大学和国家标准技术局联合成立的机构。Murnane和丈夫Henry Kapteyn在那里运行着阿秒(10-18秒)X射线激光脉冲领先研究实验室,这种超短激光脉冲的每次闪光时间仅有“十亿分之一秒的十亿分之一”。

这种超快X光波长极短,但能量很高,经常被用于潜入原子深处并在纳米级层面进行成像。通常,这种应用发生在数十亿美元的、通过把电子加速至光速从而产生X光的装置中,如加利福尼亚州的直线性连续加速器光源SLAC装置。但Murnane的方法却可以让这一技术呈现在餐桌上。这让科学家可以观察到原子周围的电子的运动状态,从而了解其化学键或是研究其在磁性硬盘中的旋转情况。

Kapteyn表示,Murnane的成功来自于她对知识的渴求。尽管童年时期,Murnane家中既没有中央空调,也没有室内水管,但凭借对知识和学习的热爱,她取得了今天的成就。Murnane在加州大学伯克利分校读研究生期间遇见Kapteyn,从此两人一直在一起工作,且彼此之间已建立了深厚的伙伴关系,Murnane认为,这是他们在科研上取得成功的基础。“身边有人不断挑战你的观点非常有益,这种关系有利于科学研究。”她说。

两人一起解决了他们在研究生期间一开始就试图解决的问题——如何产生类似于激光的高能光束。和大型科学装置进行电子加速的过程不同,他们的策略是把可见光的很多光子合成高能X射线光子。这一过程与声波类似。在带弦的乐器中,轻轻地波动一根弦会发出单一的声调。“一个人拨弦的力度越大,就会出现更多的高次谐波。”Murnane解释说,每次产生的谐波会根据初始的频率呈更大整数倍增加。

当超短激光脉冲在上世纪90年代被发现后,Murnane 和Kapteyn意识到,他们或许可以利用其剧烈地“拨动”电子——使其加速离开或靠近氦原子,从而产生高能光子谐波。他们的研究团队利用明亮的紫外线光束取得了成功,但是当让光束保持激光的特点时,由于光波同步出现,很难增加能量。

Murnane表示,他们的研究尚未到达极限——更高能量的X光,甚至是更快的飞秒(10-21 秒)脉冲也有可能实现。“科学领域的错误概念之一是,一些时候认为激光已经是一种过时的技术,没什么新东西再值得研究。”她说,“这绝非事实。”(鲁捷)

《中国科学报》 (2015-03-09 第3版 国际)
 
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