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挑戰(zhàn)光學(xué)應(yīng)用新極限：科學(xué)家“把光打成結(jié)”  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》 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(pán)、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(chēng)。（Padgett把堆疊的晚餐盤(pán)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)�！耙弥馊绾伪憩F(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(mǎn)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(huà)題。但是話(huà)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(pán)的類(lèi)比中，所有的盤(pán)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)�！斑@就像旋轉(zhuǎn)和推動(dòng)門(mén)把手，讓門(mén)打開(kāi)那樣。”P(pán)adgett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。 |
