美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員開發(fā)了芯片級設(shè)備，用于同時控制多束激光的顏色、焦點、傳播方向和偏振。

使用單個芯片調(diào)整這些特性的能力，對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、時間和磁場等基本量，這超出了實驗室的限制。

通常情況下，一個像餐桌一樣大的實驗室工作臺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算機，將需要在一個小空間區(qū)域內(nèi)同時訪問多種、廣泛變化的激光顏色。

NIST的研究人員設(shè)計并制造了這種片上系統(tǒng)，以形成多個激光束（藍(lán)色箭頭），并在光被送入太空與設(shè)備或材料相互作用之前控制其偏振。三個組件都有助于操縱激光束：一個倏逝耦合器（EVC），它將光從一個設(shè)備耦合到另一個設(shè)備；元光柵（MG），一種壓印有數(shù)百萬個小孔的微小表面，可以像大型衍射光柵一樣散射光；以及超表面（MS），一種鑲嵌著數(shù)百萬個柱子的小玻璃表面，用作透鏡。

為了解決這個問題，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，一個光子芯片完成了36個光學(xué)組件的工作，同時控制了的12個激光束的方向、聚焦和偏振（光波傳播時振動的平面），分成四種不同顏色。

該團(tuán)隊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動，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）報道了他們的研究成果。

NIST團(tuán)隊成員Amit Agrawal說：“用一個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，真正改變了游戲規(guī)則�！彼�補充說：“這些技術(shù)是必要的，因為它們堅固而緊湊，并且可以在現(xiàn)實條件下輕松地重新配置用于不同的實驗�！�

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。雖然激光通常會給原子提供能量，使它們升溫并移動得更快，但如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他性質(zhì)，情況就會相反。在撞擊原子時，激光光子會誘導(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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