对相干光更好的理解

激光和台灯的区别之一是激光的传播在空间上是一致的，这意味着光波的波峰和波谷是相互关联的。而从一个台灯发射来的波是不相关的波，显现出凌乱的状态，从另一方面说，往往被认为是不相干的。...

激光和台灯的区别之一是激光的传播在空间上是一致的，这意味着光波的波峰和波谷是相互关联的。而从一个台灯发射来的波是不相关的波，显现出凌乱的状态，从另一方面说，往往被认为是不相干的。

这有一点用词不当，但是。从理论上说，几乎所有的光，甚至“不相干”的光，都可以有一个高度的空间相干性。但是，检测其相干性，需要探测光在非常小的长度尺度上，这利用传统的技术是不能实现的。

如今，Domenico Pacifici实验室的研究人员，布朗大学工程学院的教授，已经找到一种方法来检测空间相干光束，实现在几百纳米尺度上的检测，这是比以往任何时候都要小的规模。该研究提供了纳米尺度的光学相干理论的第一个实验验证。

“有一个非常小的长度规模的光，通常来说其行为是不相干的，但我们缺乏量化的实验技术，”Drew Morrill说，他是这篇实验论文的主要作者。“该相干的程度包含十分有意义的信息，现在我们可以对其进行访问了，这对于光源特征的描述是十分有用的，并对新的成像和显微镜技术也将具有潜在的价值”。

Morrill，现在是科罗拉多大学的在读研究生，工作在布朗大学。本研究由Pacifici和布朗大学的博士后学者李东方共同署名，研究发表在《自然光子学》杂志上。

传统测试光在空间上相干的程度的方法，涉及到可以分裂光束的波阵面的设备。最著名的是杨氏干涉仪，也被称为双缝实验。该实验由一个指向探测器屏幕的一个光源，其中间有一个不透明的屏障。该屏障中间有两个小的狭缝，允许两个光束通过。当光线从缝隙通过，一些光波会向对方发生弯曲，造成他们重组。这种复合波的相干将创造一种干涉图样，即探测器的屏幕上的一系列明暗条纹。通过测量这些光和暗斑的对比度，研究人员可以量化光的相干性。

问题是，对于具有非常低的空间相干性的光源，双缝实验是行不通的，因为在其中的干扰模式出现的长度尺度是非常小的。在小尺度上产生干扰，需要两个狭缝被放置在非常靠近。但是当两个狭缝之间的距离接近于它们所显示的光的波长时，实验就崩溃了。干涉仪不能够再分裂和进行光束的重组以进行寻找干涉了。

“干涉条纹模糊不清，到难以量化干涉的程度，”Morrill说。“但如果你能够得到双缝实验的基本局限性现象时，从理论上说，你应该能够看到这些条纹。”

为了克服这些局限性，研究者采用一种不同的干涉仪，利用表面等离子体在金属光与电子的相互作用。而不是两个狭缝，狭缝的等离子体干涉仪已在银制的表面凹槽中。光发射到槽中产生的表面等离子体激元（SPP），一个跨越银表面电子密度波。SPP传播向狭缝，并与通过狭缝的光束进行了重组。由于SPP是和原始的光束相关的，但具有更小的波长，因为它将朝着夹缝有一个90度角的衍射，相比杨氏双缝干涉仪，等离子体干涉仪中的槽缝可以更接近地放置在一起。

研究人员收集了数以百计的这些微小的干涉仪，其是在芯片上以纳米尺度进行的设计和制备。他们使用该芯片进行氙气灯几百个可见光频谱内波长带宽的相干长度的测量。对于蓝色到绿色的光，测得的相干长度下降低至330纳米，是小于入射光源的500纳米的波长的。

第一个实验的结果是确认了小于光波波长尺度的相干理论。

“那真是一个令人激动的结果，”Morrill说。“如果没有实验验证，我们真的不知道，是否这些方程对于这些小尺度的实验有所帮助，但事实证明，确实有些帮助。”

在应用方面，等离子的芯片将有助于制造显微镜光源、全息和其他应用程序的光源的厂家，这将更好地刻画光源特征。该系统集成在一块芯片上，这将帮助对光源的描述规程更加快速和便捷。

“利用一定强度的光通过密集的等离子体干涉仪，你就可以以快照的形式记录其空间相干度，这只需要几秒钟的时间，”李说，他带领制作了计量表。

“我们正在为科学家提供一个新的工具在一个尺度上进行相干程度的量化，这在之前是不可能实现的尺度，”Pacifici表示。