研究人員更好地理解了非相干光

激光和臺(tái)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(lái)自臺(tái)燈的混亂，不相關(guān)的波浪通常被認(rèn)為是不連貫的。

然而，這有點(diǎn)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(cè)到這種相干性需要探測(cè)極小尺度的光，這是使用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法獲得的。

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

“有一個(gè)非常小的長(zhǎng)度尺度，通常被認(rèn)為是不連貫的光線表現(xiàn)得連貫，但我們?nèi)狈α炕膶?shí)驗(yàn)技術(shù)，”一篇描述這項(xiàng)新研究的文章的第一作者Drew Morrill說(shuō)。“這種程度的連貫性包含我們現(xiàn)在可以訪問(wèn)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(cè)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(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)包括一個(gè)瞄準(zhǔn)探測(cè)器屏幕的光源，兩者之間有一個(gè)不透明的屏障。屏障上有兩個(gè)小縫隙，允許兩條光線通過(guò)。當(dāng)兩條光線從狹縫中射出時(shí)，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(cè)器屏幕上產(chǎn)生干涉圖案 - 一系列明暗斑塊。通過(guò)測(cè)量那些明暗斑塊的對(duì)比度，研究人員可以量化光線的連貫性。

問(wèn)題是對(duì)于具有非常低空間相干性的光源，雙縫實(shí)驗(yàn)不能很好地工作，因?yàn)楦缮鎴D案出現(xiàn)的長(zhǎng)度尺度非常小。在小長(zhǎng)度尺度上產(chǎn)生干涉需要將兩個(gè)狹縫非?？拷胤胖谩５钱?dāng)兩個(gè)狹縫之間的距離接近其上顯示的光的波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)就會(huì)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(shuō)。“但如果你能解決雙縫實(shí)驗(yàn)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(gè)狹縫。光線撞擊凹槽會(huì)產(chǎn)生表面等離子體激元(SPP)，這是一種在銀表面上移動(dòng)的電子密度波。SPP向狹縫傳播，在那里它與通過(guò)狹縫的光重新組合。因?yàn)镾PP與原始光束有關(guān)但波長(zhǎng)較小，并且因?yàn)樗?0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(gè)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(gè)微納米干涉儀，這些干涉儀是用納米精度設(shè)計(jì)和制造的。他們將該芯片用于測(cè)量寬帶氙燈的相干長(zhǎng)度，以便在可見光譜范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)百個(gè)波長(zhǎng)。對(duì)于藍(lán)綠光，測(cè)得的相干長(zhǎng)度下降至330納米 - 小于光源的500納米入射波長(zhǎng)。

結(jié)果是在光波長(zhǎng)或低于光波長(zhǎng)下的相干理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

“這真是令人興奮的結(jié)果，”莫里爾說(shuō)。“如果沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)證明它們確實(shí)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(gè)芯片上的集成使得光源的表征過(guò)程變得快速而簡(jiǎn)單。

“你可以通過(guò)密集間隔的等離子體干涉儀拍攝光強(qiáng)度來(lái)記錄單個(gè)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(shuō)。

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