美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員開發(fā)了芯片級(jí)設(shè)備,用于同時(shí)控制多束激光的顏色、焦點(diǎn)、傳輸方向和偏振。
使用單個(gè)芯片調(diào)整這些特性的能力,對(duì)于制造新型便攜式傳感器至關(guān)重要,這種傳感器能夠以前所未有的精度測量如旋轉(zhuǎn)、加速度、時(shí)間和磁場等基本量,這超出了實(shí)驗(yàn)室的限制。
NIST的研究人員設(shè)計(jì)并制造了這個(gè)芯片上的系統(tǒng),以形成多個(gè)激光束(藍(lán)色箭頭),并在光線被送入太空與設(shè)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(gè)組成部分:一個(gè)倏逝耦合器(EVC),它將光從一個(gè)設(shè)備耦合到另一個(gè)設(shè)備;超光柵(MG),這是一種微小的表面,上面印著數(shù)百萬個(gè)小孔,可以像大尺寸衍射光柵一樣散射光線;還有一個(gè)超表面(MS),一個(gè)小的玻璃表面,上面布滿了數(shù)百萬個(gè)柱子,充當(dāng)透鏡的作用。
通常情況下,一個(gè)像餐桌一樣大的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)需要容納各種各樣的透鏡、偏光器、鏡子和其他設(shè)備,這些設(shè)備甚至需要操縱一束激光。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(jì)算機(jī),將需要在一個(gè)小空間區(qū)域內(nèi)同時(shí)訪問多種、廣泛變化的激光顏色。
為了解決這個(gè)問題,NIST科學(xué)家Vladimir Aksyuk和他的同事們結(jié)合了兩種芯片規(guī)模的技術(shù):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(dǎo)光線;還有一種非常規(guī)光學(xué)的來源被稱為光學(xué)超表面。這種表面由玻璃晶片組成,晶片上有數(shù)百萬個(gè)微小結(jié)構(gòu),高度只有幾千億分之一米,不需要笨重的光學(xué)裝置就能操縱光的性質(zhì)。
Aksyuk和他的合作者證明,一個(gè)光子芯片完成了36個(gè)光學(xué)組件的工作,同時(shí)控制了的12個(gè)激光束的方向、聚焦和偏振(光波傳播時(shí)振動(dòng)的平面),分成四種不同顏色。
該團(tuán)隊(duì)還展示了這種微型芯片可以引導(dǎo)兩束不同顏色的光束相互平行運(yùn)動(dòng),這是某些類型的先進(jìn)原子鐘的要求。他們在《光:科學(xué)與應(yīng)用》( Light: Science & Applications)報(bào)道了他們的研究成果。
NIST團(tuán)隊(duì)成員Amit Agrawal說:“用一個(gè)可以在潔凈室中制造的簡單半導(dǎo)體晶圓取代裝滿笨重光學(xué)元件的光學(xué)工作臺(tái),真正改變了游戲規(guī)則?!彼a(bǔ)充說:“這些技術(shù)是必要的,因?yàn)樗鼈儓?jiān)固而緊湊,并且可以在現(xiàn)實(shí)條件下輕松地重新配置用于不同的實(shí)驗(yàn)。”
Aksyuk指出,基于芯片的光學(xué)系統(tǒng)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(jìn)原子鐘所需的超低溫。雖然激光通常會(huì)給原子提供能量,使它們升溫并移動(dòng)得更快,但如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他性質(zhì),情況就會(huì)相反。在撞擊原子時(shí),激光光子會(huì)誘導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)也是在芯片上建造先進(jìn)原子鐘的關(guān)鍵一步”。
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