研究人員更好地理解了非相干光

激光和臺燈之間的區(qū)別之一是激光在空間上是相干的，這意味著光波的峰和谷彼此相關(guān)。另一方面，來自臺燈的混亂，不相關(guān)的波浪通常被認為是不連貫的。

然而，這有點用詞不當(dāng)。從理論上講，幾乎所有的光 - 甚至是“非相干”光 - 都可以具有高度的空間相干性。但檢測到這種相干性需要探測極小尺度的光，這是使用傳統(tǒng)技術(shù)無法獲得的。

現(xiàn)在，布朗大學(xué)工程學(xué)院教授Domenico Pacifici實驗室的研究人員已經(jīng)找到了一種檢測幾百納米光束空間相干性的方法 - 比以往任何時候都小得多。該研究提供了納米級光學(xué)相干理論的第一次實驗驗證。

“有一個非常小的長度尺度，通常被認為是不連貫的光線表現(xiàn)得連貫，但我們?nèi)狈α炕膶嶒灱夹g(shù)，”一篇描述這項新研究的文章的第一作者Drew Morrill說。“這種程度的連貫性包含我們現(xiàn)在可以訪問的有意義的信息，這可能有助于表征光源，并可能用于新的成像和顯微技術(shù)。”

莫里爾現(xiàn)在是科羅拉多大學(xué)的研究生，他在布朗擔(dān)任本科生。該研究論文與Pacifici和Brown博士后學(xué)者Dongfang Li合著，發(fā)表在Nature Photonics上。

用于測試光在空間上相干的程度的傳統(tǒng)方法涉及可以分離光束的波前的裝置。其中最著名的是Young干涉儀，也稱為雙縫實驗。該實驗包括一個瞄準(zhǔn)探測器屏幕的光源，兩者之間有一個不透明的屏障。屏障上有兩個小縫隙，允許兩條光線通過。當(dāng)兩條光線從狹縫中射出時，一些光波相互彎曲，導(dǎo)致它們重新組合。重新組合相干的波將在探測器屏幕上產(chǎn)生干涉圖案 - 一系列明暗斑塊。通過測量那些明暗斑塊的對比度，研究人員可以量化光線的連貫性。

問題是對于具有非常低空間相干性的光源，雙縫實驗不能很好地工作，因為干涉圖案出現(xiàn)的長度尺度非常小。在小長度尺度上產(chǎn)生干涉需要將兩個狹縫非?？拷胤胖?。但是當(dāng)兩個狹縫之間的距離接近其上顯示的光的波長時，實驗就會崩潰。干涉儀不能再適當(dāng)?shù)胤蛛x和重新組合光束以尋找干涉。

“干涉條紋被涂抹掉，很難量化一致性程度，”莫里爾說。“但如果你能解決雙縫實驗的基本局限，理論上你應(yīng)該能夠看到那些條紋。”

為了解決這些限制，研究人員采用了一種不同類型的干涉儀，它利用了等離子體，即金屬中光與電子之間的相互作用。等離子體干涉儀具有狹縫和由銀制成的表面中的凹槽，而不是兩個狹縫。光線撞擊凹槽會產(chǎn)生表面等離子體激元(SPP)，這是一種在銀表面上移動的電子密度波。SPP向狹縫傳播，在那里它與通過狹縫的光重新組合。因為SPP與原始光束有關(guān)但波長較小，并且因為它以90度角朝向狹縫衍射，所以等離子體干涉儀中的凹槽和狹縫可以放置得比兩個狹縫更緊密。年輕的干涉儀。

研究人員在微芯片上積累了數(shù)百個微納米干涉儀，這些干涉儀是用納米精度設(shè)計和制造的。他們將該芯片用于測量寬帶氙燈的相干長度，以便在可見光譜范圍內(nèi)達到數(shù)百個波長。對于藍綠光，測得的相干長度下降至330納米 - 小于光源的500納米入射波長。

結(jié)果是在光波長或低于光波長下的相干理論的第一個實驗證實。

“這真是令人興奮的結(jié)果，”莫里爾說。“如果沒有實驗驗證，我們真的不知道這些方程是否適用于這些小尺度，但事實證明它們確實如此。”

在潛在應(yīng)用方面，等離子體芯片可以幫助顯微鏡，全息和其他應(yīng)用的光源制造商更好地表征他們的光源。干涉儀在單個芯片上的集成使得光源的表征過程變得快速而簡單。

“你可以通過密集間隔的等離子體干涉儀拍攝光強度來記錄單個快照中的空間相干程度，這只需要幾秒鐘，”領(lǐng)導(dǎo)制造儀表的李說。

“我們正在為科學(xué)家們提供一種新的工具來量化長度尺度的光的相干程度，這在以前是不可能實現(xiàn)的，”Pacifici說。