據《激光制造網》了解，近日，美國國家標準與技術研究院(NIST) 的研究人員在《Nature》雜志上發表了一篇題為《Light: Science & Applications》的研究論文。論文稱，該研究團隊開發了一種可同時控制多速激光的波長、焦點、行進方向和偏振的芯片級設備系統，或能在新型量子設備中派上用場。 

NIST 研究人員設計并制造了一個芯片級系統，用于在將光發送到太空與設備或材料相互作用之前，對多束激光束（藍色箭頭）進行整形并控制它們的偏振。三個組件都有助于操縱激光束：漸逝波耦合器 (EVC)——將光從一個設備耦合到另一個設備；超光柵 (MG)——一個微小的表面，上面有著數百萬個小孔，可以像大型衍射光柵一樣散射光；和超表面 (MS)——這是一個小玻璃表面，上面鑲嵌著數百萬個用作透鏡的柱子。圖片來源：NIST。 

該系統的受控屬性包括波長、焦點、方向和偏振。對此，NIST表示，使用單個芯片定制這些屬性的能力“對于制造新型便攜式傳感器至關重要，這種傳感器可以在實驗室范圍之外以前所未有的精度測量旋轉、加速度、時間和磁場等基本量。”

通常情況下，即使控制單束激光，也需要一個與餐桌一樣大的實驗室工作臺來容納各種透鏡、偏振器、反射鏡和其他設備。然而，許多量子技術，包括微型光學原子鐘和一些未來的量子計算機，將需要在一個極其微小的空間區域內同時訪問多個廣泛變化的激光波長。

為了解決這個問題，NIST科學家Vladimir Aksyuk和他的同事，結合了兩種芯片級技術來開發新設備系統：集成光子電路和一個光學超表面。集成光子電路使用微小的透明通道和其他微型組件來引導光；而光學超表面由印有數百萬個微小結構的玻璃晶圓組成，這些結構無需笨重的光學器件即可操縱光的特性。

Aksyuk 和他的團隊證明，單個光子芯片可以完成36個光學元件的工作，同時控制12束分為4個不同波長的激光束方向、焦點和偏振（光波在傳播時振動的平面）。

該團隊的論文還表明，這種微型芯片可以引導兩束不同顏色的光束并排傳播，這能滿足某些類型的高級原子鐘的要求。

團隊成員Amit Agrawal表示：“用可以在潔凈室中制造的簡單半導體晶圓代替裝滿笨重光學元件的光學平臺，這顛覆了以往的方法規則。”他補充說， “這類技術是必需的，因為它們堅固、緊湊，并且可以很容易地重新配置以用于現實世界條件下的不同實驗。”

Aksyuk 指出，基于芯片的光學系統還在繼續開發中。例如，激光的功率還不足以將原子冷卻到微型先進原子鐘所需的超低溫。

雖然激光通常會激發原子，使它們升溫并加快移動速度，但如果仔細選擇光的頻率和其他特性，則會發生相反的情況。當激光光子撞擊原子時，會誘導原子釋放能量并冷卻，以便它們可以被磁場捕獲。

即使沒有冷卻能力，微型光學系統“也是在芯片上構建先進原子鐘的關鍵踏腳石！”Aksyuk 說。