NIST开发光子片上系统来操纵多束激光的方向、焦点和偏振

据麦姆斯咨询报道，近期，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种片上系统（on-chip system），可同时控制多束激光（不同波长）的行进方向、焦点和偏振。

NIST研究人员设计并制造的片上系统，用于对多束激光进行操纵并控制其偏振。该片上系统主要由三个组件构成：（1）渐逝耦合器（evanescent coupler，EVC），将光束从一个器件耦合到另一个器件；（2）超构光栅（metagrating，MG），在微小的表面上制备了数百万个小孔，可以像大型衍射光栅一样散射光；（3）超构表面（metasurface，MS），在微小的玻璃表面上制备了数百万个用作透镜的柱子。

NIST表示，使用单颗芯片定制这些特性的能力“对于制造新型便携式传感器至关重要，这种传感器可以在实验室范围之外以前所未有的精度测量旋转、加速度、时间和磁场等基本物理量。”

通常情况下，需要一个与餐桌一样大的实验室工作台来容纳各种透镜、偏振器、反射镜和其它操作所需的设备。然而，许多量子技术，包括微型光学原子钟和一些未来的量子计算机，将需要在一个小空间区域内同时操纵多个广泛变化的激光波长。

集成光子电路和光学超构表面

为了解决上述遇到的问题，NIST研究人员Vladimir Aksyuk和他的同事结合了两大类芯片级光束操纵技术：（1）集成光子电路，其使用微小的透明通道和其它微型组件来引导光束；（2）光学超构表面（metasurface），其表面由集成数百万个微小结构的玻璃晶圆组成，这些微结构可以无需笨重的光学器件即可操纵光束。

Aksyuk和他的团队证明，单颗光子芯片可以完成36个光学器件的工作，同时控制12束分为4个不同波长的激光束的行进方向、焦点和偏振。

该研究团队在《自然》子期刊（Light：Science & Applications）中介绍了他们的最新研究成果，并表明这种微型光子芯片可以引导两束不同颜色的光束并排传播，这是某些类型的先进原子钟的要求。

为基于芯片的光学原子钟打下基础

NIST研究人员Amit Agrawal表示：“利用可以在洁净室中制造的半导体晶圆（光子芯片）代替装满笨重光学器件的光学平台是真正的改变游戏规则的方法。这项技术是必需的，因为其制造的光子芯片具有可靠且紧凑的优点，并且可以很容易地重新配置以用于现实世界条件下的不同实验。”他补充说。

Aksyuk指出，基于芯片的光学原子钟系统正在开发之中，因为激光还不足以将原子冷却到微型先进原子钟所需的超低温。

虽然激光通常会激发原子，使其升温并加快移动速度，但如果仔细选择光的频率和其他特性，则会发生相反的情况。撞击原子后，激光光子会诱导原子释放能量并冷却，以便其可以被磁场捕获。

“即使尚没有冷却能力，但微型光学系统也是在芯片上构建先进原子钟的关键垫脚石。”Aksyuk认为。

审核编辑：刘清