美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員在芯片上設計了一種光子電路，可以將單個入射激光束轉換為一系列新光束，每個光束都具有許多不同的光學特性。 新生成的波束（保留原始波束的頻率）同時在芯片的不同位置離開電路。這允許科學家和工程師選擇特定應用所需的一個或多個光束的特定特性。 精確塑造和控制可見光光束對于診斷和研究人類疾病、捕獲構成世界上最精確時鐘、量子計算和許多其他基于量子的技術基礎的原子至關重要。 然而，這樣做通常需要占用大量實驗室空間的笨重光學器件。NIST設計的新設備最終可以消除對這種光學器件的需求，并幫助最新一代原子鐘和其他設備的小型化，將它們帶出實驗室并進入工作場所。小型便攜式原子光學鐘可以極大地改善導航系統，特別是在沒有GPS的水下。

當光束進入光子芯片時，它被引導到分束器將光波分成兩部分的區域。在每個位置，一層薄薄的五氧化二鉭的瑞士奶酪狀結構改變了光波的許多特性，包括其相位和偏振。

大多數在芯片上塑造和引導光的方法，包括那些使用超表面的方法，通常將具有一組屬性的單個光束轉換為具有一組不同屬性的另一個單個光束。

NIST研究員Grisha Spektor說：“相比之下，我們的設備可以從單個輸入光束產生大量形狀光束。需要多個激光束同時從不同方向轟擊原子云來捕獲和冷卻云，以便它可以用作原子鐘的基礎。最新一代的光學原子鐘很可能成為定義秒的新國際（SI）標準，通常需要六束激光束?！?/p>

研究人員包括來自加利福尼亞州斯坦福大學，博爾德科羅拉多大學和博爾德Octave Photonics的科學家，他們在近日的Optica雜志上介紹了該項工作。

NIST構建的新型光子芯片如何塑造入射光束的三個例子。芯片內的薄層由五氧化二鉭制成，形成一種結構，可以根據其水平方向（θ）和層上方的高度（φ）改變出射光束（光束振動的平面）的偏振。芯片可以重塑光束的形狀，以圓形模式或徑向模式振動。此外，材料的結構可以將光束重塑為渦旋，從而改變其相位（光波在其波峰和谷值周期中的位置）。 該電路在150納米（十億分之一米）厚的超薄五氧化二鉭層內產生這些光束，約為人類紅細胞直徑的百分之一。五氧化二鉭通常用于光學鍍膜，具有高折射率，幾乎完全透明。 使用計算機算法，Spektor和他的同事在五氧化二鉭層上印上類似瑞士奶酪的圖案，以產生多個光束，每個光束具有不同的特性。Spektor說：“由于光子電路由單層材料組成，因此可以相對容易地制造，并根據需要放大到更大的尺寸?！?/p>

激光束通過通道進入芯片，該通道將光引導到芯片內的幾個不同位置。在每個位置，光流被分成兩部分。五氧化二鉭的結構賦予每個流一個不同的階段?-?光波在其波峰和谷值循環中的位置。

此外，兩個分裂流（光波振動的平面）中的每一個的偏振相對于另一個旋轉90度。然后，這兩個流以各種方式重新組合和散射，從而產生具有幾乎任何所需相位、偏振、方向或發散的出射光束。 物理學家需要幾個寬的或發散的光束來聚集原子鐘和其他量子技術中使用的原子云。發散光束提供了另一個優勢：它們可以在芯片的微小區域內產生，不到人類頭發寬度的十分之一，使芯片能夠產生許多緊密間隔的光束。創建光束所需的少量空間也使芯片的其余部分可以自由地執行其他任務，并容納特定實驗或應用可能需要的額外探測器或電子設備。 該團隊的測試結果顯示，芯片設備一旦完善，應該能夠在各種可見光顏色下引導、塑造和提供幾乎無限數量的緊密間隔的光束。

編輯：黃飛

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