NIST開發(fā)光子片上系統(tǒng)來操縱多束激光的方向、焦點(diǎn)和偏振

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)出一種片上系統(tǒng)（on-chip system），可同時控制多束激光（不同波長）的行進(jìn)方向、焦點(diǎn)和偏振。

NIST研究人員設(shè)計(jì)并制造的片上系統(tǒng)，用于對多束激光進(jìn)行操縱并控制其偏振。該片上系統(tǒng)主要由三個組件構(gòu)成：（1）漸逝耦合器（evanescent coupler，EVC），將光束從一個器件耦合到另一個器件；（2）超構(gòu)光柵（metagrating，MG），在微小的表面上制備了數(shù)百萬個小孔，可以像大型衍射光柵一樣散射光；（3）超構(gòu)表面（metasurface，MS），在微小的玻璃表面上制備了數(shù)百萬個用作透鏡的柱子。

NIST表示，使用單顆芯片定制這些特性的能力“對于制造新型便攜式傳感器至關(guān)重要，這種傳感器可以在實(shí)驗(yàn)室范圍之外以前所未有的精度測量旋轉(zhuǎn)、加速度、時間和磁場等基本物理量?！?/p>

通常情況下，需要一個與餐桌一樣大的實(shí)驗(yàn)室工作臺來容納各種透鏡、偏振器、反射鏡和其它操作所需的設(shè)備。然而，許多量子技術(shù)，包括微型光學(xué)原子鐘和一些未來的量子計(jì)算機(jī)，將需要在一個小空間區(qū)域內(nèi)同時操縱多個廣泛變化的激光波長。

集成光子電路和光學(xué)超構(gòu)表面

為了解決上述遇到的問題，NIST研究人員Vladimir Aksyuk和他的同事結(jié)合了兩大類芯片級光束操縱技術(shù)：（1）集成光子電路，其使用微小的透明通道和其它微型組件來引導(dǎo)光束；（2）光學(xué)超構(gòu)表面（metasurface），其表面由集成數(shù)百萬個微小結(jié)構(gòu)的玻璃晶圓組成，這些微結(jié)構(gòu)可以無需笨重的光學(xué)器件即可操縱光束。

Aksyuk和他的團(tuán)隊(duì)證明，單顆光子芯片可以完成36個光學(xué)器件的工作，同時控制12束分為4個不同波長的激光束的行進(jìn)方向、焦點(diǎn)和偏振。

該研究團(tuán)隊(duì)在《自然》子期刊（Light：Science & Applications）中介紹了他們的最新研究成果，并表明這種微型光子芯片可以引導(dǎo)兩束不同顏色的光束并排傳播，這是某些類型的先進(jìn)原子鐘的要求。

為基于芯片的光學(xué)原子鐘打下基礎(chǔ)

NIST研究人員Amit Agrawal表示：“利用可以在潔凈室中制造的半導(dǎo)體晶圓（光子芯片）代替裝滿笨重光學(xué)器件的光學(xué)平臺是真正的改變游戲規(guī)則的方法。這項(xiàng)技術(shù)是必需的，因?yàn)槠渲圃斓墓庾有酒哂锌煽壳揖o湊的優(yōu)點(diǎn)，并且可以很容易地重新配置以用于現(xiàn)實(shí)世界條件下的不同實(shí)驗(yàn)?！彼a(bǔ)充說。

Aksyuk指出，基于芯片的光學(xué)原子鐘系統(tǒng)正在開發(fā)之中，因?yàn)榧す膺€不足以將原子冷卻到微型先進(jìn)原子鐘所需的超低溫。

雖然激光通常會激發(fā)原子，使其升溫并加快移動速度，但如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他特性，則會發(fā)生相反的情況。撞擊原子后，激光光子會誘導(dǎo)原子釋放能量并冷卻，以便其可以被磁場捕獲。

“即使尚沒有冷卻能力，但微型光學(xué)系統(tǒng)也是在芯片上構(gòu)建先進(jìn)原子鐘的關(guān)鍵墊腳石?！盇ksyuk認(rèn)為。

審核編輯：劉清