美國科學(xué)家實現(xiàn)納米尺度上對空間相干光束檢測

　激光和臺燈的區(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。而從一個臺燈發(fā)射來的波是不相關(guān)的波，顯現(xiàn)出凌亂的狀態(tài)，從另一方面說，往往被認(rèn)為是不相干的。
　　
　這有一點用詞不當(dāng)，但是。從理論上說，幾乎所有的光，甚至“不相干”的光，都可以有一個高度的空間相干性。但是，檢測其相干性，需要探測光在非常小的長度尺度上，這利用傳統(tǒng)的技術(shù)是不能實現(xiàn)的。
　　
　如今，DomenicoPacifici實驗室的研究人員，布朗大學(xué)工程學(xué)院的教授，已經(jīng)找到一種方法來檢測空間相干光束，實現(xiàn)在幾百納米尺度上的檢測，這是比以往任何時候都要小的規(guī)模。該研究提供了納米尺度的光學(xué)相干理論的第一個實驗驗證。
　　
　“有一個非常小的長度規(guī)模的光，通常來說其行為是不相干的，但我們?nèi)狈α炕膶嶒灱夹g(shù)，”DrewMorrill說，他是這篇實驗論文的主要作者?！霸撓喔傻某潭劝钟幸饬x的信息，現(xiàn)在我們可以對其進(jìn)行訪問了，這對于光源特征的描述是十分有用的，并對新的成像和顯微鏡技術(shù)也將具有潛在的價值”。
   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，也被稱為雙縫實驗。該實驗由一個指向探測器屏幕的一個光源，其中間有一個不透明的屏障。該屏障中間有兩個小的狹縫，允許兩個光束通過。當(dāng)光線從縫隙通過，一些光波會向?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，即探測器的屏幕上的一系列明暗條紋。通過測量這些光和暗斑的對比度，研究人員可以量化光的相干性。

   問題是，對于具有非常低的空間相干性的光源，雙縫實驗是行不通的，因為在其中的干擾模式出現(xiàn)的長度尺度是非常小的。在小尺度上產(chǎn)生干擾，需要兩個狹縫被放置在非?？拷?。但是當(dāng)兩個狹縫之間的距離接近于它們所顯示的光的波長時，實驗就崩潰了。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。“但如果你能夠得到雙縫實驗的基本局限性現(xiàn)象時，從理論上說，你應(yīng)該能夠看到這些條紋。”

   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），一個跨越銀表面電子密度波。SPP傳播向狹縫，并與通過狹縫的光束進(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，因為它將朝著夾縫有一個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)計和制備。他們使用該芯片進(jìn)行氙氣燈幾百個可見光頻譜內(nèi)波長帶寬的相干長度的測量。對于藍(lán)色到綠色的光，測得的相干長度下降低至330納米，是小于入射光源的500納米的波長的。

  第一個實驗的結(jié)果是確認(rèn)了小于光波波長尺度的相干理論。
   “那真是一個令人激動的結(jié)果，”Morrill說。“如果沒有實驗驗證，我們真的不知道，是否這些方程對于這些小尺度的實驗有所幫助，但事實證明，確實有些幫助。”
　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，這將幫助對光源的描述規(guī)程更加快速和便捷。
　“利用一定強度的光通過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間，”李說，他帶領(lǐng)制作了計量表。
　“我們正在為科學(xué)家提供一個新的工具在一個尺度上進(jìn)行相干程度的量化，這在之前是不可能實現(xiàn)的尺度，”Pacifici表示。