美国开发出可操纵多束激光的芯片级设备

2023-04-13 12:00

4月10日，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员宣布了一项重要研发进展：他们成功开发了一种芯片级设备，该设备可以同时操纵多束激光的波长、焦点、运动方向和偏振。该成果已于4月3日发表在《光：科学与应用》（Light： Science ＆ Applications）杂志上。

NIST指出，使用单个芯片定制这些特性的能力对于制造新型的便携式传感器至关重要，这种传感器能够以前所未有的精度测量旋转、加速度、时间和磁场等基本参量，这超出了实验室的限制。

通常情况下，实验室工作台需要容纳各种各样的透镜、偏光器、镜子和其他设备，这些设备甚至需要操纵一束激光。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访问多个波长变化很大的激光。

集成光子电路+光学超表面带来新可能

为了解决这个问题，NIST科学家Vladimir Aksyuk及其团队成员将两种芯片规模的技术结合起来：1）集成光子电路，它使用微小的透明通道和其他微型组件来引导光线；2）由玻璃晶片组成的光学超表面。晶片上印着数百万个微小结构，这些结构可以操纵光的特性，而不需要笨重的光学器件。

该团队的成果证明，一个光子芯片可以同时控制分为四个不同波长的12束激光的方向、焦点和偏振（光波在传播时振动的平面）。他们还通过展示证明，这种微型芯片可以引导两束不同颜色的光束相互平行运动，这恰恰是某些类型的先进原子钟所需要的能力。

美国开发出可操纵多束激光的芯片级设备

三个组成部分：一个倏逝耦合器（EVC），它将光从一个设备耦合到另一个设备；超光栅（MG），这是一种微小的表面，上面印着数百万个小孔，可以像大尺寸衍射光栅一样散射光线；还有一个玻璃晶片超表面（MS），上面布满了数百万个柱形结构，充当透镜的作用。（图片来源：NIST）

取代又大又笨的光学工作台

NIST团队成员Amit Agrawal评价称，仅用一个可在洁净室中制造的简单半导体晶圆，就能轻松取代以往装满笨重光学元件的光学工作台，这一成果“真正颠覆了游戏规则”。此外，这种芯片级设备坚固而紧凑，可以在真实条件下轻松地重新配置用于不同的实验。

Aksyuk指出，由于一些限制，这种基于芯片的光学系统仍在开发中。例如，激光还不足以将原子冷却到小型化先进原子钟所需的超低温。虽然激光通常会给原子提供能量，使它们升温并移动得更快，但如果仔细选择光的频率和其他性质，情况就会相反。在撞击原子时，激光光子诱导原子放弃能量并冷却，这样它们就可以被磁场捕获。

Aksyuk称，即使没有冷却能力，这种微型光学系统也是在芯片上构建先进原子钟的“关键跳板”。