Одно из различий между лазерами и настольными лампами заключается в том, что лазерный свет пространственно когерентен, что означает, что пики и спады световых волн коррелируют друг с другом. С другой стороны, беспорядочные, некоррелированные волны, исходящие от настольной лампы, часто называют некогерентными.
Однако это немного неправильное название.
Теоретически практически любой свет – даже «некогерентный» свет – может иметь высокую степень пространственной когерентности. Но для обнаружения этой когерентности требуется зондирование света на чрезвычайно малых масштабах длины, к которым нельзя получить доступ с помощью традиционных методов.
Теперь исследователи в лаборатории Доменико Пацифика, профессора инженерной школы Университета Брауна, нашли способ обнаруживать пространственную когерентность световых лучей в масштабе нескольких сотен нанометров – в гораздо меньшем масштабе, чем когда-либо было возможно. Исследование представляет собой первую экспериментальную проверку теории оптической когерентности на наномасштабе.
«Существует очень маленькая шкала длины, при которой свет, который часто называют некогерентным, ведет себя когерентно, но нам не хватало экспериментальных методов для его количественной оценки», – сказал Дрю Моррилл, ведущий автор статьи, описывающей новое исследование. "Эта степень согласованности содержит значимую информацию, к которой мы теперь можем получить доступ, которая может быть полезна для характеристики источников света и, возможно, для новых методов визуализации и микроскопии."
Моррилл, в настоящее время аспирант Университета Колорадо, выполнил эту работу, будучи студентом в Брауновском университете. Эта исследовательская работа, написанная в соавторстве с докторантом Пацифики и Брауном Дунфаном Ли, опубликована в журнале Nature Photonics.
Традиционные методы проверки степени пространственной когерентности света включают устройства, которые могут расщеплять волновой фронт светового луча.
Самый известный из них – интерферометр Юнга, также известный как эксперимент с двойной щелью. Эксперимент состоит из источника света, направленного на экран детектора, с непрозрачным барьером между двумя экранами. В барьере есть две маленькие щели, через которые проходят два луча света. Когда два луча выходят из щелей, некоторые световые волны изгибаются друг к другу, заставляя их рекомбинировать.
Рекомбинирование когерентных волн создаст интерференционную картину – серию светлых и темных пятен – на экране детектора. Измеряя контраст этих светлых и темных пятен, исследователи могут количественно оценить когерентность света.
Проблема в том, что для источников света с очень низкой пространственной когерентностью эксперимент с двойной щелью также не работает, потому что масштабы длины, на которых появляются интерференционные картины, очень малы. Для создания интерференции на небольших масштабах необходимо, чтобы две щели располагались очень близко друг к другу.
Но когда расстояние между двумя прорезями приближается к длине волны света, показываемого на них, эксперимент проваливается. Интерферометр больше не может правильно расщеплять и рекомбинировать луч, чтобы искать помехи.
«Интерференционные полосы размыты, что затрудняет количественную оценку степени когерентности», – сказал Моррилл. "Но если бы вы могли обойти фундаментальные ограничения эксперимента с двойной щелью, теоретически вы могли бы видеть эти полосы."
Чтобы обойти эти ограничения, исследователи использовали интерферометр другого типа, который использует плазмонику, взаимодействие между светом и электронами в металле. Вместо двух щелей плазмонный интерферометр имеет щель и канавку на поверхности из серебра. Свет, попадающий в канавку, создает поверхностный плазмон-поляритон (SPP), волну плотности электронов, движущихся по поверхности серебра.
SPP распространяется к щели, где он рекомбинирует со светом, проходящим через щель. Поскольку SPP связан с исходным лучом света, но имеет меньшую длину волны и поскольку он дифрагирует под углом 90 градусов к щели, канавка и щель в плазмонном интерферометре могут быть расположены ближе друг к другу, чем две щели в Юный интерферометр.
Исследователи собрали сотни этих крошечных интерферометров, спроектированных и изготовленных с нанометрической точностью, на микрочипе. Они использовали этот чип для измерения длины когерентности широкополосной ксеноновой лампы для сотен длин волн в видимом спектре.
Для сине-зеленого света измеренная длина когерентности упала до 330 нанометров – меньше, чем длина падающей волны источника света 500 нанометров.
Результаты являются первым экспериментальным подтверждением теории когерентности на длине волны света или ниже.
"Это был действительно захватывающий результат", – сказал Моррилл. "Без экспериментальной проверки мы действительно не знали, подходят ли эти уравнения для таких малых масштабов, но оказалось, что они верны."
С точки зрения потенциальных применений плазмонный чип может помочь производителям источников света для микроскопии, голографии и других приложений лучше характеризовать свои источники света. Интеграция интерферометров на одном чипе делает процессы определения характеристик источника света быстрыми и легкими.
«Вы можете просто записать степень пространственной когерентности на одном снимке, сделав снимок интенсивности света через плотно расположенные плазмонные интерферометры, что займет всего несколько секунд», – сказал Ли, руководивший изготовлением измерителя.
«Мы предоставляем ученым новый инструмент для количественной оценки степени когерентности света в масштабе длины, который раньше был невозможен», – сказал Пацифики.