利用光波而不是電流來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，光子芯片（光的電路）已經(jīng)在從計(jì)時(shí)到電信的許多領(lǐng)域進(jìn)行了先進(jìn)的基礎(chǔ)研究。

但是對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了連接更大的非晶片系統(tǒng)，通過(guò)這些電路的窄光束必須被大幅放大。更寬的光束可以提高醫(yī)學(xué)成像和診斷程序、檢測(cè)微量有毒或揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的安全系統(tǒng)以及依賴于分析大量原子的設(shè)備的速度和靈敏度。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種高效的轉(zhuǎn)換器，可以將光束的直徑放大400倍。NIST的物理學(xué)家Vladimir Aksyuk和他的同事，包括來(lái)自馬里蘭大學(xué)納米中心(位于馬里蘭大學(xué)帕克)和德克薩斯理工大學(xué)(位于盧伯克)的研究人員，在《光:科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表了他們的研究。

博科園-科學(xué)科普：變換器在兩個(gè)連續(xù)的階段中擴(kuò)大了梁的橫截面或面積。起初，光沿著一根光波導(dǎo)傳播：一種薄而透明的通道，其光學(xué)特性將光束的直徑限制在幾百納米以內(nèi)，不到人類(lèi)頭發(fā)平均直徑的千分之一。由于波導(dǎo)通道太窄，一些行進(jìn)光向外延伸，超出波導(dǎo)的邊緣。利用這種展寬的優(yōu)勢(shì)，研究小組放置了一個(gè)矩形平板，由與波導(dǎo)相同的材料構(gòu)成，與波導(dǎo)之間的距離非常小，測(cè)量精確。光線可以穿過(guò)兩個(gè)部件之間的微小縫隙，逐漸漏入平板。平板在垂直(從上到下)維度上保持了光線的窄寬度，但是它沒(méi)有為橫向或橫向維度提供這樣的約束。當(dāng)波導(dǎo)和平板之間的間隙逐漸改變時(shí)：

平板中的光形成一個(gè)精確定向的光束，其寬度是原始光束大約300納米直徑的400倍。在擴(kuò)展的第二階段，也就是光的垂直維度增大時(shí)，穿過(guò)平板的光束遇到了衍射光柵。這種光學(xué)裝置具有周期性的規(guī)則或線條，每條規(guī)則或線條都會(huì)散射光線。研究小組設(shè)計(jì)了不同深度和間距的裁決，以便光波結(jié)合，形成一個(gè)單一的寬波束，指向接近一個(gè)直角的芯片表面。重要的是，在整個(gè)兩級(jí)膨脹過(guò)程中，光保持準(zhǔn)直，或者精確地平行，這樣它就保持在目標(biāo)上，不會(huì)散開(kāi)。準(zhǔn)直光束的面積現(xiàn)在足夠大，可以走很遠(yuǎn)的距離來(lái)探測(cè)大擴(kuò)散原子群的光學(xué)特性。

與科羅拉多州博爾德NIST的John Kitching領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作，研究人員已經(jīng)使用兩級(jí)轉(zhuǎn)換器成功地分析了大約1億個(gè)氣態(tài)銣原子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)的特性。這是一個(gè)重要的概念驗(yàn)證，因?yàn)榛诠夂驮託怏w之間相互作用的設(shè)備可以測(cè)量時(shí)間、長(zhǎng)度和磁場(chǎng)等量，并在導(dǎo)航、通信和醫(yī)學(xué)上有應(yīng)用。原子移動(dòng)非常快，如果監(jiān)測(cè)它們的光束太小，它們進(jìn)出光束的速度就會(huì)非?？?，以至于很難測(cè)量它們。使用大型激光束，原子在光束中停留的時(shí)間更長(zhǎng)，從而能夠更精確地測(cè)量原子的特性，這樣的測(cè)量可以提高波長(zhǎng)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所

參考期刊文獻(xiàn) :《光:科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-018-0073-2

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