Des chercheurs de l'Université Brown ont démontré pour la première fois une méthode permettant de modifier substantiellement la cohérence spatiale de la lumière.

Dans un article publié dans la revue Avancées scientifiques , les chercheurs montrent qu'ils peuvent utiliser des polaritons de plasmons de surface - propageant des ondes électromagnétiques confinées à une interface métal-diélectrique - pour transformer la lumière de complètement incohérente à presque entièrement cohérente et vice versa. La capacité de moduler la cohérence pourrait être utile dans une grande variété d'applications, de la coloration structurelle et de la communication optique à la mise en forme du faisceau et à l'imagerie microscopique.

« Il y avait eu des travaux théoriques suggérant que la modulation de cohérence était possible, et quelques résultats expérimentaux montrant de petites quantités de modulation, " dit Dongfang Li, chercheur postdoctoral à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'étude. "Mais c'est la première fois qu'une très forte modulation de cohérence est réalisée expérimentalement."

La cohérence traite de la mesure dans laquelle les ondes électromagnétiques qui se propagent sont corrélées les unes aux autres. Laser, par exemple, émettent une lumière hautement cohérente, ce qui signifie que les ondes sont fortement corrélées. Le soleil et les ampoules à incandescence émettent des ondes faiblement corrélées, qui sont généralement dits « incohérents », même si, plus précisément, ils se caractérisent par des degrés de cohérence faibles mais mesurables.

"La cohérence, comme la couleur et la polarisation, est une propriété fondamentale de la lumière, " a déclaré Domenico Pacifici, professeur agrégé d'ingénierie et de physique à Brown et co-auteur de la recherche. "Nous avons des filtres qui peuvent manipuler la couleur de la lumière et nous avons des choses comme des lunettes de soleil polarisantes qui peuvent manipuler la polarisation. Le but de ce travail était de trouver un moyen de manipuler la cohérence comme nous le pouvons ces autres propriétés."

Pour faire ça, Li et Pacifici ont pris une expérience classique utilisée pour mesurer la cohérence, La double fente de Young, et en a fait un dispositif capable de moduler la cohérence de la lumière en contrôlant et en ajustant finement les interactions entre la lumière et les électrons dans les films métalliques.

Dans l'expérience classique à double fente, une barrière opaque est placée entre une source lumineuse et un détecteur. La lumière traverse deux fentes parallèles dans la barrière pour atteindre le détecteur de l'autre côté. Si la lumière montrée sur la barrière est cohérente, les rayons émanant des fentes vont interférer les uns avec les autres, créant un motif d'interférence sur le détecteur - une série de bandes lumineuses et sombres appelées franges d'interférence. La mesure dans laquelle la lumière est cohérente peut être mesurée par l'intensité des bandes. Si la lumière est incohérente, aucune bande ne sera visible.

"Comme cela se fait normalement, l'expérience à double fente mesure simplement la cohérence de la lumière plutôt que de la changer, " a dit Pacifici. " Mais en introduisant des polaritons de plasmons de surface, Les doubles fentes de Young deviennent un outil non seulement pour la mesure mais aussi pour la modulation."

Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé un mince film métallique comme barrière dans l'expérience à double fente. Quand la lumière frappe le film, Des polaritons de plasmons de surface - ondulations de densité électronique créées lorsque les électrons sont excités par la lumière - sont générés à chaque fente et se propagent vers la fente opposée.

"Les polaritons de plasmon de surface ouvrent un canal pour que la lumière à chaque fente se parle, " dit Li. " En connectant les deux, nous sommes capables de changer les corrélations mutuelles entre eux et donc de changer la cohérence de la lumière."

En substance, Les polaritons de plasmons de surface sont capables de créer une corrélation là où il n'y en avait pas, ou pour annuler toute corrélation existante qui était là, selon la nature de la lumière entrante et la distance entre les fentes.

L'un des principaux résultats de l'étude est la force de la modulation obtenue. La technique est capable de moduler la cohérence sur une plage de 0 pour cent (totalement incohérent) à 80 pour cent (presque complètement cohérente). Une modulation d'une telle force n'a jamais été atteinte auparavant, disent les chercheurs, et cela a été rendu possible en utilisant des méthodes de nanofabrication qui ont permis de maximiser l'efficacité de génération des polaritons de plasmon de surface existant sur les deux surfaces de l'écran fendu.

Ce premier travail de validation de principe a été réalisé à l'échelle micrométrique, mais Pacifici et Li disent qu'il n'y a aucune raison pour que cela ne puisse pas être étendu pour une utilisation dans une variété de contextes.

"Nous avons brisé une barrière en montrant qu'il est possible de le faire, " Pacifici a déclaré. "Cela ouvre la voie à de nouveaux façonneurs de faisceaux bidimensionnels, des filtres et des lentilles capables de manipuler des faisceaux optiques entiers en utilisant la cohérence de la lumière comme un puissant bouton de réglage."