三维随机干涉仪探测其光学体积的皮米级形变与微小介电涨落

光学干涉测量已被证明在利用几何形状精确受控的光来研究某些最基本的物理定律方面极为强大。在过去的几十年里，出现了各种散斑计量方法，转而利用强无序光的干涉特性，通过散斑图样的时域分析，其最大速率受限于图像采集频率。本工作基于使用一个厘米级、具有任意形状的石英粉末腔，该腔体被设计为具有极高的朗伯反射率。当充满相干的单色光子气体时，可获得统计上各向同性且均匀的三维散斑干涉图样。然后，结合使用单模光纤与光子数自相关分析，来探测由腔体形变或内部介电张量场涨落引起的散斑退相关谱的微小变化。退相关谱在低于 100 MHz 的 8 到 10 个频率十进位范围内获取，其灵敏度仅受限于固有光子统计和外部仪器噪声。凭借典型的 1700 次反射和 62 米的平均光子渡越路径长度，我们的三维随机干涉仪实现了约 10500 的典型精细度，并以遍历方式在六个数量级的动态范围内探测腔体形变，其功率噪声基底为 4×10⁻³ pm²，对应于 1 kHz 处的 2.7 pm。该腔体还可作为散斑涨落放大器，揭示由胶体皮米级热运动引起的退相关谱，在单次和多次散射状态下，与常规光散射技术相比，具有典型的 100 倍灵敏度增益。