研究人员更好地理解了非相干光

激光和台灯之间的区别之一是激光在空间上是相干的，这意味着光波的峰和谷彼此相关。另一方面，来自台灯的混乱，不相关的波浪通常被认为是不连贯的。

然而，这有点用词不当。从理论上讲，几乎所有的光 - 甚至是“非相干”光 - 都可以具有高度的空间相干性。但检测到这种相干性需要探测极小尺度的光，这是使用传统技术无法获得的。

现在，布朗大学工程学院教授Domenico Pacifici实验室的研究人员已经找到了一种检测几百纳米光束空间相干性的方法 - 比以往任何时候都小得多。该研究提供了纳米级光学相干理论的第一次实验验证。

“有一个非常小的长度尺度，通常被认为是不连贯的光线表现得连贯，但我们缺乏量化它的实验技术，”一篇描述这项新研究的文章的第一作者Drew Morrill说。“这种程度的连贯性包含我们现在可以访问的有意义的信息，这可能有助于表征光源，并可能用于新的成像和显微技术。”

莫里尔现在是科罗拉多大学的研究生，他在布朗担任本科生。该研究论文与Pacifici和Brown博士后学者Dongfang Li合着，发表在Nature Photonics上。

用于测试光在空间上相干的程度的传统方法涉及可以分离光束的波前的装置。其中最着名的是Young干涉仪，也称为双缝实验。该实验包括一个瞄准探测器屏幕的光源，两者之间有一个不透明的屏障。屏障上有两个小缝隙，允许两条光线通过。当两条光线从狭缝中射出时，一些光波相互弯曲，导致它们重新组合。重新组合相干的波将在探测器屏幕上产生干涉图案 - 一系列明暗斑块。通过测量那些明暗斑块的对比度，研究人员可以量化光线的连贯性。

问题是对于具有非常低空间相干性的光源，双缝实验不能很好地工作，因为干涉图案出现的长度尺度非常小。在小长度尺度上产生干涉需要将两个狭缝非常靠近地放置。但是当两个狭缝之间的距离接近其上显示的光的波长时，实验就会崩溃。干涉仪不能再适当地分离和重新组合光束以寻找干涉。

“干涉条纹被涂抹掉，很难量化一致性程度，”莫里尔说。“但如果你能解决双缝实验的基本局限，理论上你应该能够看到那些条纹。”

为了解决这些限制，研究人员采用了一种不同类型的干涉仪，它利用了等离子体，即金属中光与电子之间的相互作用。等离子体干涉仪具有狭缝和由银制成的表面中的凹槽，而不是两个狭缝。光线撞击凹槽会产生表面等离子体激元(SPP)，这是一种在银表面上移动的电子密度波。SPP向狭缝传播，在那里它与通过狭缝的光重新组合。因为SPP与原始光束有关但波长较小，并且因为它以90度角朝向狭缝衍射，所以等离子体干涉仪中的凹槽和狭缝可以放置得比两个狭缝更紧密。年轻的干涉仪。

研究人员在微芯片上积累了数百个微纳米干涉仪，这些干涉仪是用纳米精度设计和制造的。他们将该芯片用于测量宽带氙灯的相干长度，以便在可见光谱范围内达到数百个波长。对于蓝绿光，测得的相干长度下降至330纳米 - 小于光源的500纳米入射波长。

结果是在光波长或低于光波长下的相干理论的第一个实验证实。

“这真是令人兴奋的结果，”莫里尔说。“如果没有实验验证，我们真的不知道这些方程是否适用于这些小尺度，但事实证明它们确实如此。”

在潜在应用方面，等离子体芯片可以帮助显微镜，全息和其他应用的光源制造商更好地表征他们的光源。干涉仪在单个芯片上的集成使得光源的表征过程变得快速而简单。

“你可以通过密集间隔的等离子体干涉仪拍摄光强度来记录单个快照中的空间相干程度，这只需要几秒钟，”领导制造仪表的李说。

“我们正在为科学家们提供一种新的工具来量化长度尺度的光的相干程度，这在以前是不可能实现的，”Pacifici说。