光有很多種，有些是肉眼可見的，有些是看不見的。例如，當(dāng)紫外線照射到我們的眼睛時，我們的眼睛和大腦沒有處理紫外線的工具，這讓它變得不可見。但是還有另一種光是看不見的，因?yàn)樗�永遠(yuǎn)不會到達(dá)我們的眼睛。當(dāng)光線照射到某些表面時，它的一部分會粘住并留在后面，而不是被傳輸或散射掉。這種光被稱為近場光。

目前，近場光主要用于超高分辨率顯微鏡，即近場掃描光學(xué)顯微鏡（NSOM）。然而，近場光在粒子操縱、傳感和光通信方面也有未開發(fā)的潛力。但是由于近場光不像遠(yuǎn)場光那樣到達(dá)我們的眼睛，研究人員還沒有開發(fā)出一套綜合性的工具來利用和操縱近場。

“今天，我們有很多工具和技術(shù)來設(shè)計(jì)遠(yuǎn)場光的樣子，”哈佛約翰a.保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）客座教授文森特·吉尼斯（Vincent Ginis），“說我們有鏡頭，望遠(yuǎn)鏡，棱鏡和全息圖。所有這些都使我們能夠雕刻出在空中自由傳播的光。”

而如今，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種系統(tǒng)來塑造近場光，為這種強(qiáng)大的、基本上未被探索的光打開了前所未有的控制之門。這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)Science》雜志上。

上圖所示為一種呈現(xiàn)大象模樣的局部光線。傳導(dǎo)光束是通過在兩個模式轉(zhuǎn)換器之間來回反彈而成的。圖片來源：哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

“多年來，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出新的強(qiáng)大的技術(shù)，利用亞波長模式的超表面來構(gòu)造傳播的光，”應(yīng)用物理學(xué)教授和電氣工程高級研究員、論文的高級作者費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）說，“通過這項(xiàng)工作，我們展示了如何在遠(yuǎn)處構(gòu)建近場，從而在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域開辟令人興奮的機(jī)會。

為了操縱近場光，研究人員開發(fā)了一種裝置，在這種裝置中，光被限制在波導(dǎo)管中，在兩個反射器之間來回反彈。每次反彈后，它都會改變模式，這意味著它以不同的空間模式傳播。在多次反彈的情況下，這些圖案疊加在一起形成了沿波導(dǎo)的復(fù)雜光強(qiáng)度分布。波導(dǎo)表面附近的近場光也會發(fā)生變化。當(dāng)近場光的所有不同圖案相互疊加時，就會產(chǎn)生一個特定的形狀。研究人員可以通過調(diào)整反射光模式的振幅來預(yù)先編程這種形狀。

“所有這些模式的共存可以被設(shè)計(jì)成在設(shè)備表面隨意創(chuàng)造近場景觀，”哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究助理、論文合著者馬可·皮卡多（Marco Piccardo）說，“景觀的形狀是由級聯(lián)光的綜合特性決定的。”

“這有點(diǎn)像音樂，”吉尼斯說，“你所聽到的音樂是許多音符或模式的疊加，這些音符或模式是由作曲家構(gòu)思的。單是一個音符并不多，但把它放在一起你就可以產(chǎn)生任何類型的音樂。當(dāng)音樂在時間上運(yùn)行時，我們的近場發(fā)生器在三維空間中工作，我們的設(shè)備的另一個有趣之處在于一個音符產(chǎn)生另一個音符。”

重要的是，這種成型過程是遠(yuǎn)程進(jìn)行的，這意味著設(shè)備的任何部分都不會直接與近場光交互。這減少了干擾，而干擾對于粒子操縱等應(yīng)用很重要，并且與當(dāng)前在金屬尖端和納米顆粒上發(fā)光等近場雕刻的局部方法有很大的不同。

為了證明他們的設(shè)計(jì)，研究人員將近場光塑造成大象的形狀。或者，更具體地說，一頭大象在大蟒蛇里，這是對安托萬·德圣·�？怂髋謇锏慕�(jīng)典作品《小王子》中的維度游戲的敬意。

研究人員還將光線塑造成曲線、平面和直線。

卡帕索說：“這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)前所未有的近場光三維控制提供了一條新途徑。這是一個預(yù)兆，預(yù)示著我希望這項(xiàng)工作在未來會有令人興奮的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)展�！�

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