Onderzoekers van de Brown University hebben voor het eerst een methode gedemonstreerd om de ruimtelijke coherentie van licht substantieel te veranderen.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers laten zien dat ze plasmonpolaritonen aan het oppervlak kunnen gebruiken - die elektromagnetische golven voortplanten die zijn opgesloten in een metaal-diëlektrische interface - om licht te transformeren van volledig onsamenhangend naar bijna volledig coherent en vice versa. Het vermogen om coherentie te moduleren kan nuttig zijn in een breed scala aan toepassingen, van structurele kleuring en optische communicatie tot bundelvorming en microscopische beeldvorming.

"Er was wat theoretisch werk geweest dat suggereerde dat coherentiemodulatie mogelijk was, en enkele experimentele resultaten die kleine hoeveelheden modulatie laten zien, " zei Dongfang Li, een postdoctoraal onderzoeker in Brown's School of Engineering en de hoofdauteur van de studie. "Maar dit is de eerste keer dat een zeer sterke modulatie van coherentie experimenteel is gerealiseerd."

Coherentie gaat over de mate waarin zich voortplantende elektromagnetische golven met elkaar correleren. lasers, bijvoorbeeld, licht uitstralen dat zeer coherent is, wat betekent dat de golven sterk gecorreleerd zijn. De zon en gloeilampen zenden zwak gecorreleerde golven uit, waarvan algemeen wordt gezegd dat ze "incoherent" zijn, Hoewel, preciezer, ze worden gekenmerkt door een lage maar meetbare mate van coherentie.

"Samenhang, zoals kleur en polarisatie, is een fundamentele eigenschap van licht, " zei Domenico Pacifici, een universitair hoofddocent techniek en natuurkunde bij Brown en co-auteur van het onderzoek. "We hebben filters die de kleur van licht kunnen manipuleren en we hebben dingen zoals polariserende zonnebrillen die polarisatie kunnen manipuleren. Het doel van dit werk was om een ​​manier te vinden om coherentie te manipuleren zoals we deze andere eigenschappen kunnen."

Om dat te doen, Li en Pacifici namen een klassiek experiment om coherentie te meten, Young's dubbele spleet, en veranderde het in een apparaat dat de coherentie van licht kan moduleren door de interacties tussen licht en elektronen in metaalfilms te regelen en fijn af te stemmen.

In het klassieke dubbelspletenexperiment, tussen een lichtbron en een detector wordt een ondoorzichtige barrière geplaatst. Het licht gaat door twee parallelle spleten in de barrière om de detector aan de andere kant te bereiken. Als het licht op de barrière coherent is, de stralen die uit de spleten komen, zullen met elkaar interfereren, het creëren van een interferentiepatroon op de detector - een reeks heldere en donkere banden die interferentieranden worden genoemd. De mate waarin het licht coherent is, kan worden gemeten aan de hand van de intensiteit van banden. Als het licht onsamenhangend is, er zullen geen banden zichtbaar zijn.

"Omdat dit normaal wordt gedaan, het dubbelspletenexperiment meet eenvoudig de samenhang van licht in plaats van het te veranderen, "Zei Pacifici. "Maar door oppervlakteplasmonpolaritonen te introduceren, De dubbele spleten van Young worden niet alleen een hulpmiddel voor metingen, maar ook voor modulatie."

Om dat te doen, de onderzoekers gebruikten een dunne metaalfilm als barrière in het experiment met dubbele spleet. Als het licht op de film valt, oppervlakteplasmonpolaritonen - rimpelingen van elektronendichtheid die worden gecreëerd wanneer de elektronen worden geëxciteerd door licht - worden gegenereerd bij elke spleet en planten zich voort naar de tegenovergestelde spleet.

"De oppervlakte-plasmonpolaritonen openen een kanaal voor het licht bij elke spleet om met elkaar te praten, " zei Li. "Door de twee met elkaar te verbinden, we zijn in staat om de onderlinge correlaties tussen hen te veranderen en daarmee de samenhang van licht te veranderen."

In essentie, oppervlakteplasmonpolaritonen zijn in staat om correlaties te creëren waar er geen was, of om een ​​bestaande correlatie die er was te annuleren, afhankelijk van de aard van het binnenvallende licht en de afstand tussen de spleten.

Een van de belangrijkste resultaten van de studie is de kracht van de modulatie die ze bereikten. De techniek is in staat om coherentie te moduleren over een bereik van 0 procent (totaal onsamenhangend) tot 80 procent (bijna volledig coherent). Modulatie van een dergelijke sterkte is nog nooit eerder bereikt, zeggen de onderzoekers, en het werd mogelijk gemaakt door nanofabricagemethoden te gebruiken die het mogelijk maakten om de generatie-efficiëntie van oppervlakteplasmonpolaritonen die op beide oppervlakken van het gespleten scherm bestaan, te maximaliseren.

Dit eerste proof-of-concept werk werd gedaan op micrometerschaal, maar Pacifici en Li zeggen dat er geen reden is waarom dit niet zou kunnen worden opgeschaald voor gebruik in verschillende omgevingen.

"We hebben een barrière doorbroken door te laten zien dat het mogelijk is om dit te doen, Pacifici zei. "Dit maakt de weg vrij voor nieuwe tweedimensionale straalvormers, filters en lenzen die hele optische bundels kunnen manipuleren door de coherentie van licht te gebruiken als een krachtige afstemknop."