新一代量子設備可在單個芯片上控制多個激光器

美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員開發(fā)了芯片級設備，用于同時控制多束激光的顏色、焦點、傳輸方向和偏振。

使用單個芯片調整這些特性的能力，對于制造新型便攜式傳感器至關重要，這種傳感器能夠以前所未有的精度測量如旋轉、加速度、時間和磁場等基本量，這超出了實驗室的限制。

NIST的研究人員設計并制造了這個芯片上的系統，以形成多個激光束（藍色箭頭），并在光線被送入太空與設備或材料相互作用之前控制它們的偏振。操縱激光束有三個組成部分：一個倏逝耦合器（EVC），它將光從一個設備耦合到另一個設備;超光柵（MG），這是一種微小的表面，上面印著數百萬個小孔，可以像大尺寸衍射光柵一樣散射光線;還有一個超表面（MS），一個小的玻璃表面，上面布滿了數百萬個柱子，充當透鏡的作用。

通常情況下，一個像餐桌一樣大的實驗室工作臺需要容納各種各樣的透鏡、偏光器、鏡子和其他設備，這些設備甚至需要操縱一束激光。然而，許多量子技術，包括微型光學原子鐘和一些未來的量子計算機，將需要在一個小空間區(qū)域內同時訪問多種、廣泛變化的激光顏色。

為了解決這個問題，NIST科學家Vladimir Aksyuk和他的同事們結合了兩種芯片規(guī)模的技術：集成光子電路，它使用微小的透明通道和其他微型組件來引導光線;還有一種非常規(guī)光學的來源被稱為光學超表面。這種表面由玻璃晶片組成，晶片上有數百萬個微小結構，高度只有幾千億分之一米，不需要笨重的光學裝置就能操縱光的性質。

Aksyuk和他的合作者證明，一個光子芯片完成了36個光學組件的工作，同時控制了的12個激光束的方向、聚焦和偏振（光波傳播時振動的平面），分成四種不同顏色。

該團隊還展示了這種微型芯片可以引導兩束不同顏色的光束相互平行運動，這是某些類型的先進原子鐘的要求。他們在《光：科學與應用》（ Light： Science & Applications）報道了他們的研究成果。

NIST團隊成員Amit Agrawal說：“用一個可以在潔凈室中制造的簡單半導體晶圓取代裝滿笨重光學元件的光學工作臺，真正改變了游戲規(guī)則?！彼a充說：“這些技術是必要的，因為它們堅固而緊湊，并且可以在現實條件下輕松地重新配置用于不同的實驗?！?/p>

Aksyuk指出，基于芯片的光學系統正在開發(fā)中。例如，激光還不足以將原子冷卻到小型化先進原子鐘所需的超低溫。雖然激光通常會給原子提供能量，使它們升溫并移動得更快，但如果仔細選擇光的頻率和其他性質，情況就會相反。在撞擊原子時，激光光子會誘導原子放棄能量并冷卻，這樣它們就可以被磁場捕獲。

Aksyuk說：“即使沒有冷卻能力，微型光學系統也是在芯片上建造先進原子鐘的關鍵一步”。

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審核編輯 ：李倩