美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員在芯片上設(shè)計(jì)了一種光子電路，可以將單個(gè)入射激光束轉(zhuǎn)換為一系列新光束，每個(gè)光束都具有許多不同的光學(xué)特性。 新生成的波束（保留原始波束的頻率）同時(shí)在芯片的不同位置離開(kāi)電路。這允許科學(xué)家和工程師選擇特定應(yīng)用所需的一個(gè)或多個(gè)光束的特定特性。 精確塑造和控制可見(jiàn)光光束對(duì)于診斷和研究人類疾病、捕獲構(gòu)成世界上最精確時(shí)鐘、量子計(jì)算和許多其他基于量子的技術(shù)基礎(chǔ)的原子至關(guān)重要。 然而，這樣做通常需要占用大量實(shí)驗(yàn)室空間的笨重光學(xué)器件。NIST設(shè)計(jì)的新設(shè)備最終可以消除對(duì)這種光學(xué)器件的需求，并幫助最新一代原子鐘和其他設(shè)備的小型化，將它們帶出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入工作場(chǎng)所。小型便攜式原子光學(xué)鐘可以極大地改善導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是在沒(méi)有GPS的水下。

當(dāng)光束進(jìn)入光子芯片時(shí)，它被引導(dǎo)到分束器將光波分成兩部分的區(qū)域。在每個(gè)位置，一層薄薄的五氧化二鉭的瑞士奶酪狀結(jié)構(gòu)改變了光波的許多特性，包括其相位和偏振。

大多數(shù)在芯片上塑造和引導(dǎo)光的方法，包括那些使用超表面的方法，通常將具有一組屬性的單個(gè)光束轉(zhuǎn)換為具有一組不同屬性的另一個(gè)單個(gè)光束。

NIST研究員Grisha Spektor說(shuō)：“相比之下，我們的設(shè)備可以從單個(gè)輸入光束產(chǎn)生大量形狀光束。需要多個(gè)激光束同時(shí)從不同方向轟擊原子云來(lái)捕獲和冷卻云，以便它可以用作原子鐘的基礎(chǔ)。最新一代的光學(xué)原子鐘很可能成為定義秒的新國(guó)際（SI）標(biāo)準(zhǔn)，通常需要六束激光束?！?/p>

研究人員包括來(lái)自加利福尼亞州斯坦福大學(xué)，博爾德科羅拉多大學(xué)和博爾德Octave Photonics的科學(xué)家，他們?cè)诮盏腛ptica雜志上介紹了該項(xiàng)工作。

NIST構(gòu)建的新型光子芯片如何塑造入射光束的三個(gè)例子。芯片內(nèi)的薄層由五氧化二鉭制成，形成一種結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)其水平方向（θ）和層上方的高度（φ）改變出射光束（光束振動(dòng)的平面）的偏振。芯片可以重塑光束的形狀，以圓形模式或徑向模式振動(dòng)。此外，材料的結(jié)構(gòu)可以將光束重塑為渦旋，從而改變其相位（光波在其波峰和谷值周期中的位置）。 該電路在150納米（十億分之一米）厚的超薄五氧化二鉭層內(nèi)產(chǎn)生這些光束，約為人類紅細(xì)胞直徑的百分之一。五氧化二鉭通常用于光學(xué)鍍膜，具有高折射率，幾乎完全透明。 使用計(jì)算機(jī)算法，Spektor和他的同事在五氧化二鉭層上印上類似瑞士奶酪的圖案，以產(chǎn)生多個(gè)光束，每個(gè)光束具有不同的特性。Spektor說(shuō)：“由于光子電路由單層材料組成，因此可以相對(duì)容易地制造，并根據(jù)需要放大到更大的尺寸?！?/p>

激光束通過(guò)通道進(jìn)入芯片，該通道將光引導(dǎo)到芯片內(nèi)的幾個(gè)不同位置。在每個(gè)位置，光流被分成兩部分。五氧化二鉭的結(jié)構(gòu)賦予每個(gè)流一個(gè)不同的階段?-?光波在其波峰和谷值循環(huán)中的位置。

此外，兩個(gè)分裂流（光波振動(dòng)的平面）中的每一個(gè)的偏振相對(duì)于另一個(gè)旋轉(zhuǎn)90度。然后，這兩個(gè)流以各種方式重新組合和散射，從而產(chǎn)生具有幾乎任何所需相位、偏振、方向或發(fā)散的出射光束。 物理學(xué)家需要幾個(gè)寬的或發(fā)散的光束來(lái)聚集原子鐘和其他量子技術(shù)中使用的原子云。發(fā)散光束提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：它們可以在芯片的微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，不到人類頭發(fā)寬度的十分之一，使芯片能夠產(chǎn)生許多緊密間隔的光束。創(chuàng)建光束所需的少量空間也使芯片的其余部分可以自由地執(zhí)行其他任務(wù)，并容納特定實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用可能需要的額外探測(cè)器或電子設(shè)備。 該團(tuán)隊(duì)的測(cè)試結(jié)果顯示，芯片設(shè)備一旦完善，應(yīng)該能夠在各種可見(jiàn)光顏色下引導(dǎo)、塑造和提供幾乎無(wú)限數(shù)量的緊密間隔的光束。

編輯：黃飛

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