據(jù)《激光制造網(wǎng)》了解，近日，美國(guó)國(guó)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(duì)開發(fā)了一種可同時(shí)控制多速激光的波長(zhǎng)、焦點(diǎn)、行進(jìn)方向和偏振的芯片級(jí)設(shè)備系統(tǒng)，或能在新型量子設(shè)備中派上用場(chǎng)。 

NIST 研究人員設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)芯片級(jí)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(duì)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(gè)組件都有助于操縱激光束：漸逝波耦合器 (EVC)——將光從一個(gè)設(shè)備耦合到另一個(gè)設(shè)備；超光柵 (MG)——一個(gè)微小的表面，上面有著數(shù)百萬(wàn)個(gè)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(gè)小玻璃表面，上面鑲嵌著數(shù)百萬(wàn)個(gè)用作透鏡的柱子。圖片來(lái)源：NIST。 

該系統(tǒng)的受控屬性包括波長(zhǎng)、焦點(diǎn)、方向和偏振。對(duì)此，NIST表示，使用單個(gè)芯片定制這些屬性的能力“對(duì)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(cè)量旋轉(zhuǎn)、加速度、時(shí)間和磁場(chǎng)等基本量?！?/p>

通常情況下，即使控制單束激光，也需要一個(gè)與餐桌一樣大的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)來(lái)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(lái)的量子計(jì)算機(jī)，將需要在一個(gè)極其微小的空間區(qū)域內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)廣泛變化的激光波長(zhǎng)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，NIST科學(xué)家Vladimir Aksyuk和他的同事，結(jié)合了兩種芯片級(jí)技術(shù)來(lái)開發(fā)新設(shè)備系統(tǒng)：集成光子電路和一個(gè)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(lái)引導(dǎo)光；而光學(xué)超表面由印有數(shù)百萬(wàn)個(gè)微小結(jié)構(gòu)的玻璃晶圓組成，這些結(jié)構(gòu)無(wú)需笨重的光學(xué)器件即可操縱光的特性。

Aksyuk 和他的團(tuán)隊(duì)證明，單個(gè)光子芯片可以完成36個(gè)光學(xué)元件的工作，同時(shí)控制12束分為4個(gè)不同波長(zhǎng)的激光束方向、焦點(diǎn)和偏振（光波在傳播時(shí)振動(dòng)的平面）。

該團(tuán)隊(duì)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(jí)原子鐘的要求。

團(tuán)隊(duì)成員Amit Agrawal表示：“用可以在潔凈室中制造的簡(jiǎn)單半導(dǎo)體晶圓代替裝滿笨重光學(xué)元件的光學(xué)平臺(tái)，這顛覆了以往的方法規(guī)則?！彼a(bǔ)充說(shuō)， “這類技術(shù)是必需的，因?yàn)樗鼈儓?jiān)固、緊湊，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)?！?/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(huì)激發(fā)原子，使它們升溫并加快移動(dòng)速度，但如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他特性，則會(huì)發(fā)生相反的情況。當(dāng)激光光子撞擊原子時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)原子釋放能量并冷卻，以便它們可以被磁場(chǎng)捕獲。

即使沒(méi)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(shuō)。