В статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи показывают, что они могут использовать поверхностные плазмонные поляритоны — распространяющиеся электромагнитные волны, ограниченные границей раздела металл-диэлектрик, — для преобразования света из полностью некогерентного в почти полностью когерентный и наоборот. Способность модулировать когерентность может быть полезна в самых разных приложениях, от окрашивания структур и оптической связи до формирования луча и получения микроскопических изображений.
«Была некоторая теоретическая работа, предполагающая, что модуляция когерентности возможна, и некоторые экспериментальные результаты, показывающие небольшое количество модуляции», — сказал Дунфан Ли, научный сотрудник инженерной школы Брауна и ведущий автор исследования. «Но это первый раз, когда экспериментально реализована очень сильная модуляция когерентности».Когерентность определяет степень корреляции распространяющихся электромагнитных волн друг с другом. Например, лазеры излучают очень когерентный свет, то есть волны сильно коррелированы.
Солнце и лампы накаливания излучают слабо коррелированные волны, которые обычно называют «некогерентными», хотя, точнее, они характеризуются низкой, но измеримой степенью когерентности.«Когерентность, как цвет и поляризация, является фундаментальным свойством света», — сказал Доменико Пацифичи, доцент кафедры инженерии и физики Брауна и соавтор исследования. «У нас есть фильтры, которые могут управлять цветом света, и у нас есть такие вещи, как поляризационные солнцезащитные очки, которые могут управлять поляризацией. Целью этой работы было найти способ манипулировать когерентностью, как мы можем этими другими свойствами».Для этого Ли и Пацифики взяли классический эксперимент, используемый для измерения когерентности, двойную щель Юнга, и превратили его в устройство, которое может модулировать когерентность света, контролируя и тонко настраивая взаимодействия между светом и электронами в металлических пленках.
В классическом эксперименте с двумя щелями между источником света и детектором помещается непрозрачный барьер. Свет проходит через две параллельные щели в барьере, чтобы достичь детектора с другой стороны. Если свет, отображаемый на барьере, является когерентным, лучи, исходящие из щелей, будут мешать друг другу, создавая на детекторе интерференционную картину — серию ярких и темных полос, называемых интерференционными полосами. Степень когерентности света можно измерить по интенсивности полос.
Если свет некогерентный, полосы не будут видны.«Как это обычно делается, эксперимент с двумя щелями просто измеряет когерентность света, а не меняет ее», — сказал Пацифци. «Но благодаря введению поверхностных плазмонных поляритонов двойные щели Юнга становятся инструментом не только для измерения, но и для модуляции».
Для этого исследователи использовали тонкую металлическую пленку в качестве барьера в эксперименте с двойной щелью. Когда свет падает на пленку, на каждой щели генерируются поверхностные плазмон-поляритоны — волны электронной плотности, возникающие при возбуждении электронов светом. Они распространяются к противоположной щели.«Поверхностные плазмонные поляритоны открывают канал для света в каждой щели, чтобы общаться друг с другом», — сказал Ли. «Соединив два, мы можем изменить взаимные корреляции между ними и, следовательно, изменить когерентность света».
По сути, поверхностные плазмонные поляритоны способны создавать корреляцию там, где ее не было, или отменять любую существующую корреляцию, которая была, в зависимости от природы входящего света и расстояния между щелями.Один из ключевых результатов исследования — сила модуляции, которую они достигли. Этот метод может модулировать когерентность в диапазоне от 0 процентов (полная некогерентность) до 80 процентов (почти полная когерентность). По словам исследователей, модуляция такой силы никогда раньше не была достигнута, и это стало возможным благодаря использованию методов нанопроизводства, которые позволили максимизировать эффективность генерации поверхностных плазмонных поляритонов, существующих на обеих поверхностях щелевого экрана.
Эта первоначальная работа по проверке концепции была выполнена в масштабе микрометра, но Пацифики и Ли говорят, что нет причин, по которым ее нельзя было бы масштабировать для использования в различных условиях.«Мы преодолели барьер, показав, что это возможно», — сказал Пацифики. «Это открывает путь для новых двумерных формирователей луча, фильтров и линз, которые могут управлять целыми оптическими лучами, используя когерентность света в качестве мощной ручки настройки».