Forskning viser metoder til at ændre lysets sammenhæng

Brown University -forskere har for første gang demonstreret en metode til væsentligt at ændre lysets rumlige sammenhæng.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt , forskerne viser, at de kan bruge overfladeplasmon polaritoner-udbredende elektromagnetiske bølger begrænset til en metal-dielektrisk grænseflade-til at omdanne lys fra fuldstændig usammenhængende til næsten fuldstændig kohærent og omvendt. Evnen til at modulere sammenhæng kan være nyttig i en lang række applikationer fra strukturel farve og optisk kommunikation til stråleformning og mikroskopisk billeddannelse.

"Der havde været noget teoretisk arbejde, der tyder på, at kohærensmodulation var mulig, og nogle eksperimentelle resultater, der viser små mængder modulering, "sagde Dongfang Li, en postdoktor ved Brown's School of Engineering og undersøgelsens hovedforfatter. "Men det er første gang meget stærk modulering af sammenhæng er blevet realiseret eksperimentelt."

Sammenhæng handler om, i hvilket omfang forplantende elektromagnetiske bølger er korreleret med hinanden. Lasere, for eksempel, udsender lys, der er meget sammenhængende, hvilket betyder, at bølgerne er stærkt korrelerede. Solen og glødepærer udsender svagt korrelerede bølger, der generelt siges at være "usammenhængende", Selvom, mere præcist, de er kendetegnet ved lave, men målbare grader af sammenhæng.

"Sammenhæng, som farve og polarisering, er en grundlæggende egenskab ved lys, "sagde Domenico Pacifici, en lektor i teknik og fysik hos Brown og medforfatter af forskningen. "Vi har filtre, der kan manipulere lysets farve, og vi har ting som polariserende solbriller, der kan manipulere polarisering. Målet med dette arbejde var at finde en måde at manipulere sammenhæng på, ligesom vi kan disse andre egenskaber."

At gøre det, Li og Pacifici tog et klassisk eksperiment, der blev brugt til at måle sammenhæng, Youngs dobbelte slids, og gjorde det til en enhed, der kan modulere lysets sammenhæng ved at kontrollere og finjustere interaktionerne mellem lys og elektroner i metalfilm.

I det klassiske dobbeltspalteeksperiment, en uigennemsigtig barriere placeres mellem en lyskilde og en detektor. Lyset passerer gennem to parallelle slidser i barrieren for at nå detektoren på den anden side. Hvis lyset på barrieren er sammenhængende, strålerne fra slidserne vil forstyrre hinanden, skaber et interferensmønster på detektoren - en række lyse og mørke bånd kaldet interferensfrynser. I hvilket omfang lyset er sammenhængende, kan måles ved intensiteten af ​​bånd. Hvis lyset er usammenhængende, ingen bånd vil være synlige.

"Da dette normalt gøres, eksperimentet med dobbeltspalte måler simpelthen lysets sammenhæng i stedet for at ændre det, "Pacifici sagde." Men ved at indføre overfladeplasmon polaritoner, Youngs dobbelte slidser bliver et værktøj ikke kun til måling, men også til modulering. "

At gøre det, forskerne brugte en tynd metalfilm som barriere i dobbeltspalteforsøget. Når lyset rammer filmen, overfladeplasmon polaritoner - krusninger af elektrontæthed skabt, når elektronerne exciteres af lys - genereres ved hver spalte og formerer sig mod den modsatte spalte.

"Overfladeplasmon polaritoner åbner en kanal for lyset ved hver spalte for at tale med hinanden, "Sagde Li." Ved at forbinde de to, vi er i stand til at ændre de indbyrdes korrelationer mellem dem og derfor ændre lysets sammenhæng. "

I det væsentlige, overfladeplasmon polaritoner er i stand til at skabe sammenhæng, hvor der ikke var nogen, eller at annullere enhver eksisterende korrelation, der var der, afhængig af arten af ​​det lys, der kommer ind og afstanden mellem slidserne.

Et af undersøgelsens nøgleresultater er styrken i den modulering, de opnåede. Teknikken er i stand til at modulere sammenhæng på tværs af et område fra 0 procent (totalt usammenhængende) til 80 procent (næsten fuld kohærent). Modulation af en sådan styrke er aldrig blevet opnået før, siger forskerne, og det blev gjort muligt ved at anvende nanofabrikationsmetoder, der gjorde det muligt at maksimere produktionseffektiviteten af ​​overfladeplasmonpolaritoner, der findes på begge overflader af den slidsede skærm.

Dette indledende proof-of-concept arbejde blev udført på mikrometerskalaen, men Pacifici og Li siger, at der ikke er nogen grund til, at dette ikke kan skaleres op til brug i en række forskellige indstillinger.

"Vi har brudt en barriere for at vise, at det er muligt at gøre dette, "Pacifici sagde." Dette rydder vejen for nye todimensionale stråleformere, filtre og linser, der kan manipulere hele optiske stråler ved at bruge lysets sammenhæng som en kraftfuld justeringsknap. "