Forskare vid Brown University har för första gången demonstrerat en metod för att väsentligt förändra ljusets rumsliga koherens.

I en artikel publicerad i tidningen Vetenskapens framsteg , forskarna visar att de kan använda ytplasmonpolaritoner – fortplantande elektromagnetiska vågor som är begränsade till ett metall-dielektriskt gränssnitt – för att omvandla ljus från helt osammanhängande till nästan helt koherent och vice versa. Förmågan att modulera koherens kan vara användbar i en mängd olika applikationer från strukturell färgning och optisk kommunikation till strålformning och mikroskopisk avbildning.

"Det hade gjorts en del teoretiskt arbete som tydde på att koherensmodulering var möjlig, och några experimentella resultat som visar små mängder modulering, sa Dongfang Li, en postdoktor vid Browns School of Engineering och studiens huvudförfattare. "Men detta är första gången en mycket stark modulering av koherens har realiserats experimentellt."

Koherens handlar om i vilken utsträckning fortplantande elektromagnetiska vågor är korrelerade med varandra. Lasrar, till exempel, avge ljus som är mycket sammanhängande, vilket betyder att vågorna är starkt korrelerade. Solen och glödlamporna avger svagt korrelerade vågor, som i allmänhet sägs vara "osammanhängande", fastän, mer exakt, de kännetecknas av låga men ändå mätbara grader av koherens.

"Sammanhang, som färg och polarisering, är en grundläggande egenskap hos ljus, sa Domenico Pacifici, en docent i teknik och fysik vid Brown och medförfattare till forskningen. "Vi har filter som kan manipulera ljusets färg och vi har saker som polariserande solglasögon som kan manipulera polarisering. Målet med detta arbete var att hitta ett sätt att manipulera koherens som vi kan dessa andra egenskaper."

Att göra det, Li och Pacifici tog ett klassiskt experiment som användes för att mäta koherens, Youngs dubbla slits, och förvandlade den till en enhet som kan modulera ljusets koherens genom att kontrollera och finjustera interaktionerna mellan ljus och elektroner i metallfilmer.

I det klassiska dubbelslitsexperimentet, en ogenomskinlig barriär placeras mellan en ljuskälla och en detektor. Ljuset passerar genom två parallella slitsar i barriären för att nå detektorn på andra sidan. Om ljuset som visas på barriären är konsekvent, strålarna som kommer från slitsarna kommer att störa varandra, skapar ett interferensmönster på detektorn – en serie ljusa och mörka band som kallas interferensfransar. I vilken utsträckning ljuset är koherent kan mätas genom intensiteten av band. Om ljuset är osammanhängande, inga band kommer att synas.

"Som detta normalt görs, dubbelslitsexperimentet mäter helt enkelt ljusets koherens snarare än att ändra det, " sa Pacifici. "Men genom att introducera ytplasmonpolaritoner, Youngs dubbla slitsar blir ett verktyg inte bara för mätning utan också för modulering."

Att göra det, forskarna använde en tunn metallfilm som barriär i dubbelslitsexperimentet. När ljuset träffar filmen, ytplasmonpolaritoner – krusningar av elektrondensitet som skapas när elektronerna exciteras av ljus – genereras vid varje slits och fortplantar sig mot den motsatta slitsen.

"Ytplasmonpolaritonerna öppnar en kanal för ljuset vid varje slits att prata med varandra, " sa Li. "Genom att koppla ihop de två, vi kan ändra de ömsesidiga korrelationerna mellan dem och därför ändra ljusets koherens."

I huvudsak, ytplasmonpolaritoner kan skapa korrelation där det inte fanns någon, eller för att avbryta någon befintlig korrelation som fanns där, beroende på vilken typ av ljus som kommer in och avståndet mellan slitsarna.

Ett av studiens nyckelresultat är styrkan i den modulering de uppnådde. Tekniken kan modulera koherens över ett intervall från 0 procent (helt osammanhängande) till 80 procent (nästan helt koherent). Modulering av sådan styrka har aldrig uppnåtts tidigare, forskarna säger, och det gjordes möjligt genom att använda nanotillverkningsmetoder som gjorde det möjligt att maximera genereringseffektiviteten för ytplasmonpolaritoner som existerade på båda ytorna av den slitsade skärmen.

Detta första proof-of-concept-arbete gjordes på mikrometerskala, men Pacifici och Li säger att det inte finns någon anledning till varför detta inte skulle kunna skalas upp för användning i en mängd olika inställningar.

"Vi har brutit en barriär i att visa att det är möjligt att göra det här, ", sa Pacifici. "Detta banar vägen för nya tvådimensionella strålformare, filter och linser som kan manipulera hela optiska strålar genom att använda ljusets koherens som en kraftfull inställningsratt."