美國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)納米尺度上對(duì)空間相干光束檢測(cè)

　激光和臺(tái)燈的區(qū)別之一是激光的傳播在空間上是一致的，這意味著光波的波峰和波谷是相互關(guān)聯(lián)的。而從一個(gè)臺(tái)燈發(fā)射來(lái)的波是不相關(guān)的波，顯現(xiàn)出凌亂的狀態(tài)，從另一方面說(shuō)，往往被認(rèn)為是不相干的。
　　
　這有一點(diǎn)用詞不當(dāng)，但是。從理論上說(shuō)，幾乎所有的光，甚至“不相干”的光，都可以有一個(gè)高度的空間相干性。但是，檢測(cè)其相干性，需要探測(cè)光在非常小的長(zhǎng)度尺度上，這利用傳統(tǒng)的技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)的。
　　
　如今，DomenicoPacifici實(shí)驗(yàn)室的研究人員，布朗大學(xué)工程學(xué)院的教授，已經(jīng)找到一種方法來(lái)檢測(cè)空間相干光束，實(shí)現(xiàn)在幾百納米尺度上的檢測(cè)，這是比以往任何時(shí)候都要小的規(guī)模。該研究提供了納米尺度的光學(xué)相干理論的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　
　“有一個(gè)非常小的長(zhǎng)度規(guī)模的光，通常來(lái)說(shuō)其行為是不相干的，但我們?nèi)狈α炕膶?shí)驗(yàn)技術(shù)，”DrewMorrill說(shuō)，他是這篇實(shí)驗(yàn)論文的主要作者?！霸撓喔傻某潭劝钟幸饬x的信息，現(xiàn)在我們可以對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)了，這對(duì)于光源特征的描述是十分有用的，并對(duì)新的成像和顯微鏡技術(shù)也將具有潛在的價(jià)值”。
   Morrill，現(xiàn)在是科羅拉多大學(xué)的在讀研究生，工作在布朗大學(xué)。本研究由Pacifici和布朗大學(xué)的博士后學(xué)者李東方共同署名，研究發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上。

　傳統(tǒng)測(cè)試光在空間上相干的程度的方法，涉及到可以分裂光束的波陣面的設(shè)備。最著名的是楊氏干涉儀，也被稱為雙縫實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)由一個(gè)指向探測(cè)器屏幕的一個(gè)光源，其中間有一個(gè)不透明的屏障。該屏障中間有兩個(gè)小的狹縫，允許兩個(gè)光束通過(guò)。當(dāng)光線從縫隙通過(guò)，一些光波會(huì)向?qū)Ψ桨l(fā)生彎曲，造成他們重組。這種復(fù)合波的相干將創(chuàng)造一種干涉圖樣，即探測(cè)器的屏幕上的一系列明暗條紋。通過(guò)測(cè)量這些光和暗斑的對(duì)比度，研究人員可以量化光的相干性。

   問(wèn)題是，對(duì)于具有非常低的空間相干性的光源，雙縫實(shí)驗(yàn)是行不通的，因?yàn)樵谄渲械母蓴_模式出現(xiàn)的長(zhǎng)度尺度是非常小的。在小尺度上產(chǎn)生干擾，需要兩個(gè)狹縫被放置在非?？拷５钱?dāng)兩個(gè)狹縫之間的距離接近于它們所顯示的光的波長(zhǎng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)就崩潰了。干涉儀不能夠再分裂和進(jìn)行光束的重組以進(jìn)行尋找干涉了。

　“干涉條紋模糊不清，到難以量化干涉的程度，”Morrill說(shuō)?！暗绻隳軌虻玫诫p縫實(shí)驗(yàn)的基本局限性現(xiàn)象時(shí)，從理論上說(shuō)，你應(yīng)該能夠看到這些條紋?！?BR>

   為了克服這些局限性，研究者采用一種不同的干涉儀，利用表面等離子體在金屬光與電子的相互作用。而不是兩個(gè)狹縫，狹縫的等離子體干涉儀已在銀制的表面凹槽中。光發(fā)射到槽中產(chǎn)生的表面等離子體激元（SPP），一個(gè)跨越銀表面電子密度波。SPP傳播向狹縫，并與通過(guò)狹縫的光束進(jìn)行了重組。由于SPP是和原始的光束相關(guān)的，但具有更小的波長(zhǎng)，因?yàn)樗鼘⒊鴬A縫有一個(gè)90度角的衍射，相比楊氏雙縫干涉儀，等離子體干涉儀中的槽縫可以更接近地放置在一起。

   研究人員收集了數(shù)以百計(jì)的這些微小的干涉儀，其是在芯片上以納米尺度進(jìn)行的設(shè)計(jì)和制備。他們使用該芯片進(jìn)行氙氣燈幾百個(gè)可見(jiàn)光頻譜內(nèi)波長(zhǎng)帶寬的相干長(zhǎng)度的測(cè)量。對(duì)于藍(lán)色到綠色的光，測(cè)得的相干長(zhǎng)度下降低至330納米，是小于入射光源的500納米的波長(zhǎng)的。

  第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是確認(rèn)了小于光波波長(zhǎng)尺度的相干理論。
   “那真是一個(gè)令人激動(dòng)的結(jié)果，”Morrill說(shuō)?！叭绻麤](méi)有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們真的不知道，是否這些方程對(duì)于這些小尺度的實(shí)驗(yàn)有所幫助，但事實(shí)證明，確實(shí)有些幫助。”
　在應(yīng)用方面，等離子的芯片將有助于制造顯微鏡光源、全息和其他應(yīng)用程序的光源的廠家，這將更好地刻畫光源特征。該系統(tǒng)集成在一塊芯片上，這將幫助對(duì)光源的描述規(guī)程更加快速和便捷。
　“利用一定強(qiáng)度的光通過(guò)密集的等離子體干涉儀，你就可以以快照的形式記錄其空間相干度，這只需要幾秒鐘的時(shí)間，”李說(shuō)，他帶領(lǐng)制作了計(jì)量表。
　“我們正在為科學(xué)家提供一個(gè)新的工具在一個(gè)尺度上進(jìn)行相干程度的量化，這在之前是不可能實(shí)現(xiàn)的尺度，”Pacifici表示。