在单个芯片上操纵多个激光器，用于新一代的量子设备

NIST的研究人员设计并制造了这个片上系统，以塑造多个激光束（蓝色箭头），并在光被送入空间与设备或材料相互作用之前控制其偏振。三个部件都有助于操纵激光束： 蒸发耦合器（EVC），它将光从一个设备耦合到另一个设备；元光栅（MG），一个印有数百万个小孔的微小表面，就像大型衍射光栅那样散射光；以及元表面（MS），一个镶有数百万个柱子的小玻璃表面，起到透镜的作用。资料来源：NIST

美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员已经开发出了芯片级的设备，可以同时操纵多束激光的颜色、焦点、行进方向和偏振。

使用单个芯片定制这些属性的能力对于制造一类新的便携式传感器至关重要，这些传感器可以以前所未有的精度测量诸如旋转、加速度、时间和磁场等基本量--在实验室的范围之外。

通常情况下，一个像餐桌一样大的实验室工作台需要容纳各种各样的透镜、偏振镜、镜子和其他仪器，这些仪器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，将需要在一个小的空间区域内同时获得多种广泛变化的激光颜色。

为了解决这个问题，NIST的科学家Vladimir Aksyuk和他的同事结合了两种芯片级技术： 集成光子电路，它使用微小的透明通道和其他微型元件来引导光线；以及一种被称为光学元表面的非常规光学源。这种表面由印有数百万个微小结构的玻璃片组成，高度只有几千亿分之一米，可以操纵光的特性而不需要庞大的光学器件。

阿克苏克和他的合作者展示了一个单一的光子芯片完成了36个光学元件的工作，同时控制12个激光束的方向、焦点和偏振（光波在传播过程中振动的平面），这些激光束分为四种不同颜色。

该团队还表明，这个微小的芯片可以引导两束不同颜色的光束并排行驶，这是某些类型的先进原子钟的要求。他们已经在4月3日的《光》杂志上报告了他们的发现： 科学与应用》上报告了他们的发现。

"NIST团队的成员Amit Agrawal说："用一个可以在无尘室中制造的简单的半导体晶圆来取代充满笨重光学元件的光学台，确实改变了游戏规则。"他补充说："我们需要这类技术，因为它们坚固而紧凑，并且可以在现实世界的条件下为不同的实验轻松地进行重新配置。

Aksyuk指出，基于芯片的光学系统是一项正在进行的工作。例如，激光还没有强大到足以将原子冷却到小型化先进原子钟所需的超低温度。(尽管激光通常会给原子带来能量，使它们升温并加速移动，但如果仔细选择激光的频率和其他属性，情况就会相反。在撞击原子时，激光光子会促使原子放弃能量并冷却下来，从而使它们能够被磁场所困住）。

Aksyuk说，即使没有冷却能力，这个微型光学系统 "也是在芯片上建立一个先进的原子钟的关键垫脚石"。
 

参考资料

Chad Ropp et al, Integrating planar photonics for multi-beam generation and atomic clock packaging on chip, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01081-x