单束光转换为不同特性的多束光的技术探讨

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在芯片上设计了一种光子电路，可以将单个入射激光束转换为一系列新光束，每个光束都具有许多不同的光学特性。 新生成的波束（保留原始波束的频率）同时在芯片的不同位置离开电路。这允许科学家和工程师选择特定应用所需的一个或多个光束的特定特性。 精确塑造和控制可见光光束对于诊断和研究人类疾病、捕获构成世界上最精确时钟、量子计算和许多其他基于量子的技术基础的原子至关重要。 然而，这样做通常需要占用大量实验室空间的笨重光学器件。NIST设计的新设备最终可以消除对这种光学器件的需求，并帮助最新一代原子钟和其他设备的小型化，将它们带出实验室并进入工作场所。小型便携式原子光学钟可以极大地改善导航系统，特别是在没有GPS的水下。

当光束进入光子芯片时，它被引导到分束器将光波分成两部分的区域。在每个位置，一层薄薄的五氧化二钽的瑞士奶酪状结构改变了光波的许多特性，包括其相位和偏振。

大多数在芯片上塑造和引导光的方法，包括那些使用超表面的方法，通常将具有一组属性的单个光束转换为具有一组不同属性的另一个单个光束。

NIST研究员Grisha Spektor说：“相比之下，我们的设备可以从单个输入光束产生大量形状光束。需要多个激光束同时从不同方向轰击原子云来捕获和冷却云，以便它可以用作原子钟的基础。最新一代的光学原子钟很可能成为定义秒的新国际（SI）标准，通常需要六束激光束。”

研究人员包括来自加利福尼亚州斯坦福大学，博尔德科罗拉多大学和博尔德Octave Photonics的科学家，他们在近日的Optica杂志上介绍了该项工作。

NIST构建的新型光子芯片如何塑造入射光束的三个例子。芯片内的薄层由五氧化二钽制成，形成一种结构，可以根据其水平方向（θ）和层上方的高度（φ）改变出射光束（光束振动的平面）的偏振。芯片可以重塑光束的形状，以圆形模式或径向模式振动。此外，材料的结构可以将光束重塑为涡旋，从而改变其相位（光波在其波峰和谷值周期中的位置）。 该电路在150纳米（十亿分之一米）厚的超薄五氧化二钽层内产生这些光束，约为人类红细胞直径的百分之一。五氧化二钽通常用于光学镀膜，具有高折射率，几乎完全透明。 使用计算机算法，Spektor和他的同事在五氧化二钽层上印上类似瑞士奶酪的图案，以产生多个光束，每个光束具有不同的特性。Spektor说：“由于光子电路由单层材料组成，因此可以相对容易地制造，并根据需要放大到更大的尺寸。”

激光束通过通道进入芯片，该通道将光引导到芯片内的几个不同位置。在每个位置，光流被分成两部分。五氧化二钽的结构赋予每个流一个不同的阶段 - 光波在其波峰和谷值循环中的位置。

此外，两个分裂流（光波振动的平面）中的每一个的偏振相对于另一个旋转90度。然后，这两个流以各种方式重新组合和散射，从而产生具有几乎任何所需相位、偏振、方向或发散的出射光束。 物理学家需要几个宽的或发散的光束来聚集原子钟和其他量子技术中使用的原子云。发散光束提供了另一个优势：它们可以在芯片的微小区域内产生，不到人类头发宽度的十分之一，使芯片能够产生许多紧密间隔的光束。创建光束所需的少量空间也使芯片的其余部分可以自由地执行其他任务，并容纳特定实验或应用可能需要的额外探测器或电子设备。 该团队的测试结果显示，芯片设备一旦完善，应该能够在各种可见光颜色下引导、塑造和提供几乎无限数量的紧密间隔的光束。

编辑：黄飞