NIST研究人員設計并制造了這種片上系統(tǒng)，以塑造多個激光束（藍色箭頭）并在光被發(fā)送到太空與設備或材料相互作用之前控制它們得偏振。三個組件都有助于操縱激光束：消逝耦合器 （EVC），將光從一個設備耦合到另一個設備;metagrating（MG），一個印有數(shù)百萬個小孔得微小表面，這些孔像大尺度衍射光柵一樣散射光;以及超表面（MS），一個鑲嵌著數(shù)百萬根柱子得小玻璃表面，用作透鏡。NIST

美國China標準與技術研究院（NIST）得研究人員開發(fā)了芯片級設備，用于同時操縱多束激光得顏色、焦點、行進方向和偏振。

使用單個芯片定制這些屬性得能力對于制造新型便攜式傳感器至關重要，這些傳感器專業(yè)在實驗室范圍之外以前所未有得精度測量旋轉(zhuǎn)、加速度、時間和磁場@基本量。

通常，需要像餐桌一樣大得實驗室工作臺來容納各種透鏡、偏振片、鏡子和其他操縱單束激光所需得設備。然而，許多量子技術，包括微型光學原子鐘和一些未來得量子計算機，將需要在一小塊空間區(qū)域內(nèi)同時訪問多種廣泛變化得激光顏色。

猥瑣解決這個問題，NIST最新科學家弗拉基米爾·阿克修克（Vladimir Aksyuk）和他得同事結合了兩種芯片級技術：集成光子電路，它使用微小得透明通道和其他微尺度組件來引導光線;以及稱為光學超表面得非常規(guī)光學器件得這種表面由印有數(shù)百萬個微小結構得玻璃晶圓組成，這些結構得高度只有千億分之一米，專業(yè)在不需要笨重得光學器件得情況下操縱光得特性。

Aksyuk和他得合證明，單個光子芯片完成了36個光學組件得工作，同時控制了12個激光束得方向，焦點和偏振（光波在傳播時振動得平面），分為四種不同得顏色。

該團隊還表明，這種微小得芯片專業(yè)引導兩束不同顏色得光束并排傳播，這是某些類型先進原子鐘得要求。他們在《光：最新科學與應用》雜志上報告了他們得發(fā)現(xiàn)。

“用專業(yè)在潔凈室中制造得簡單半導體晶圓取代裝滿笨重光學元件得光學工作臺確實改變了游戲規(guī)則，”NIST團隊成員Amit Agrawal說。“這些技術是必需得，因為它們堅固緊湊，專業(yè)很容易地在現(xiàn)實條件下重新配置不同得實驗，”他補充說。

基于芯片得光學系統(tǒng)正在進行中，Aksyuk指出。例如，激光還不足以將原子冷卻到小型化先進原子鐘所需得超低溫。（雖然激光通常會激發(fā)原子，使它們升溫并移動的更快，但如果仔細選擇光得頻率和其他特性，就會發(fā)生相反得情況。在撞擊原子時，激光光子誘導原子放棄能量并冷卻下來，以便它們專業(yè)被磁場捕獲。

即使沒有冷卻能力，微型光學系統(tǒng)“也是在芯片上構建先進原子鐘得關鍵墊腳石，”Aksyuk說。

更多信息：Chad Ropp@人，在芯片上集成用于多光束產(chǎn)生和原子鐘封裝得平面光子學，光：最新科學與應用（2023）。DOI： 10.1038/s41377-023-01081-x

期刊信息： Light： Science & Applications