據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) 的研究人員在《Nature》雜志上發(fā)表了一篇題為《Light: Science & Applications》的研究論文。論文稱，該研究團(tuán)隊開發(fā)了一種可同時控制多速激光的波長、焦點、行進(jìn)方向和偏振的芯片級設(shè)備系統(tǒng)，或能在新型量子設(shè)備中派上用場。 

NIST 研究人員設(shè)計并制造了一個芯片級系統(tǒng)，用于在將光發(fā)送到太空與設(shè)備或材料相互作用之前，對多束激光束（藍(lán)色箭頭）進(jìn)行整形并控制它們的偏振。三個組件都有助于操縱激光束：漸逝波耦合器 (EVC)——將光從一個設(shè)備耦合到另一個設(shè)備；超光柵 (MG)——一個微小的表面，上面有著數(shù)百萬個小孔，可以像大型衍射光柵一樣散射光；和超表面 (MS)——這是一個小玻璃表面，上面鑲嵌著數(shù)百萬個用作透鏡的柱子。圖片來源：NIST。 

該系統(tǒng)的受控屬性包括波長、焦點、方向和偏振。對此，NIST表示，使用單個芯片定制這些屬性的能力“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驗室范圍之外以前所未有的精度測量旋轉(zhuǎn)、加速度、時間和磁場等基本量?！?/p>

通常情況下，即使控制單束激光，也需要一個與餐桌一樣大的實驗室工作臺來容納各種透鏡、偏振器、反射鏡和其他設(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算機(jī)，將需要在一個極其微小的空間區(qū)域內(nèi)同時訪問多個廣泛變化的激光波長。

為了解決這個問題，NIST科學(xué)家Vladimir Aksyuk和他的同事，結(jié)合了兩種芯片級技術(shù)來開發(fā)新設(shè)備系統(tǒng)：集成光子電路和一個光學(xué)超表面。集成光子電路使用微小的透明通道和其他微型組件來引導(dǎo)光；而光學(xué)超表面由印有數(shù)百萬個微小結(jié)構(gòu)的玻璃晶圓組成，這些結(jié)構(gòu)無需笨重的光學(xué)器件即可操縱光的特性。

Aksyuk 和他的團(tuán)隊證明，單個光子芯片可以完成36個光學(xué)元件的工作，同時控制12束分為4個不同波長的激光束方向、焦點和偏振（光波在傳播時振動的平面）。

該團(tuán)隊的論文還表明，這種微型芯片可以引導(dǎo)兩束不同顏色的光束并排傳播，這能滿足某些類型的高級原子鐘的要求。

團(tuán)隊成員Amit Agrawal表示：“用可以在潔凈室中制造的簡單半導(dǎo)體晶圓代替裝滿笨重光學(xué)元件的光學(xué)平臺，這顛覆了以往的方法規(guī)則?！彼a(bǔ)充說， “這類技術(shù)是必需的，因為它們堅固、緊湊，并且可以很容易地重新配置以用于現(xiàn)實世界條件下的不同實驗?！?/p>

Aksyuk 指出，基于芯片的光學(xué)系統(tǒng)還在繼續(xù)開發(fā)中。例如，激光的功率還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，使它們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。當(dāng)激光光子撞擊原子時，會誘導(dǎo)原子釋放能量并冷卻，以便它們可以被磁場捕獲。

即使沒有冷卻能力，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)鍵踏腳石！”Aksyuk 說。