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科学家“把光打成结” 挑战光学应用新极限

导读: 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。

  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MilesPadgett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MarkDennis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LesAllen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。

  MilesPadgett把光折成难以想象的形状

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