近场光研究促进了粒子操纵，高分辨率显微镜，以及更多的应用

局域光产生的新奇景观，一只大象的形状。导模光在两个模转换器之间来回反射，从而被加以改造。图片来源：第二湾工作室/哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)

有很多种——有些是人眼可见的，有些是人眼看不见的。例如，当紫外线照射到我们的眼睛时，由于眼睛和大脑没有处理它的工具，因此看不见。但是还有另一种光是看不见的，因为它从来没有到达过我们的眼睛。当光线照射到某些表面时，一部分会被局域住，而不是被透射或散射出去。这种被局域的光称为近场光。

如今，近场光主要用于超高分辨率显微镜，称为近场扫描光学显微镜(NSOM)。然而，近场光在粒子操纵、传感和光通信方面也有未开发的潜力。但是由于近场光不能像远场光那样到达我们的眼睛，研究人员尚未开发出全面的工具包来利用和操纵近场。

“今天，我们有很多工具和技术来设计远场光，”哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的访问教授Vincent Ginis说，“我们有透镜、望远镜、棱镜和全息图。所有这些都使我们能够塑造在空间中自由传播的光。”Ginis也是布鲁塞尔自由大学的教授。

   现在，SEAS研究人员已经开发出一种塑造近场光的系统，从而为对这种强大的，很大程度上未开发的光进行前所未有的控制打开了大门。 该研究发表在《科学》杂志上。

“多年来，我们的团队已经开发出了强大的新技术，可以利用亚波长图案的超表面来构造传播的光，” Federico Capasso，罗伯特·华莱士应用物理学教授和Vinton Hayes电气工程高级研究员，该论文的高级作者说。“通过这项工作，我们展示了如何在远距离构造近场，从而为科学和技术领域带来令人兴奋的机遇。”

为了操纵近场光，研究人员开发了一种装置，在这种装置中，光被限制在一个波导中，在两个反射器之间来回反射。每次反弹后，模式都会发生改变，这意味着它会以不同的空间模式传播。通过多次反射，这些模式叠加在一起，在波导上产生一个复杂的光强度剖面。波导表面附近的近场光也发生了变化。当所有不同模式的近场光叠加在一起，一个特定的形状就产生了。研究人员可以通过调整反射光模式的振幅来预先设定形状。

  该论文的共同作者，SEAS的研究人员Marco Piccardo说：“通过设计这些共存的模式，可以在设备表面随意创建近场景观，景观的形状取决于级联光的组合属性。”

“这有点像音乐，”Ginis说，“你所听到的音乐是由许多音符或模式叠加而成的，这些模式是由作曲家构思出来的。一个音符本身并不多，但结合在一起就可以产生任何类型的音乐。音乐在时间上运行，而我们的近场发生器在三维空间运行，而且我们设备的另一个有趣之处在于，一个音符可以产生另一个。”

重要的是，该成型过程是远程进行的，这意味着设备的任何部分都不会直接与近场光相互作用。这减少了干扰，对于诸如粒子操纵等应用而言很重要，并且与目前在诸如金属尖端和纳米粒子上照射光等局部近场雕塑方法大相径庭。

为了证明他们的设计，研究人员将近场光塑造成大象的形状。或者，更具体地说，一只藏在巨蟒里的大象，向安托万·德·圣艾修伯里（Antoine deSaint-Exupéry）的经典作品《小王子》中关于空间的戏剧致敬。研究人员还将光塑造成曲线、平台和直线。

“这项研究为近场光前所未有的三维控制提供了新的途径，”Capasso说。“这预示着，未来这项工作会带来令人兴奋的发现和技术发展，也是我所期望的。”