新裝置將光束擴(kuò)寬了400倍

通過使用光波而不是電流來傳輸數(shù)據(jù)，光子芯片（即光電路）在從計(jì)時(shí)到電信的許多領(lǐng)域都有了先進(jìn)的基礎(chǔ)研究。但是對(duì)于許多應(yīng)用來說，穿過這些電路的窄光束必須充分加寬才能與較大的片外系統(tǒng)連接。更寬的光束可以提高醫(yī)學(xué)成像和診斷程序的速度和靈敏度，加強(qiáng)檢測(cè)痕量有毒或揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的安全系統(tǒng)，并促進(jìn)依賴于大組原子分析的設(shè)備。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家們現(xiàn)已開發(fā)出一種高效的轉(zhuǎn)換器，可以將光束直徑擴(kuò)寬400倍。相關(guān)研究內(nèi)容已在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light：Science and Applications）雜志上發(fā)表。

轉(zhuǎn)換器在兩個(gè)連續(xù)的階段中加寬了光束的橫截面或面積。最初，光沿著光波導(dǎo)傳播，這是一條薄而透明的通道，其光學(xué)特性將光束直徑限制在幾百納米，不到人類頭發(fā)平均直徑的千分之一。因?yàn)椴▽?dǎo)通道非常狹窄，所以一些傳播的光向外延伸超出了波導(dǎo)的邊緣。利用這種拓寬的優(yōu)勢(shì)，研究小組將一個(gè)與波導(dǎo)材料相同的矩形板放置在距離波導(dǎo)一個(gè)微小的、精確測(cè)量過的距離上。光可以跳過兩個(gè)組件之間的微小縫隙，并逐漸滲入平板。

平板在垂直（從上到下）的維度上保持光的窄度，但在橫向或側(cè)向維度上沒有這樣的限制。隨著波導(dǎo)和平板之間的間隙逐漸變化，平板中的光形成精確定向的光束，其寬度是原來光束直徑約300 nm（納米）的400倍。

在擴(kuò)展的第二階段，即增大光的垂直維度，穿過平板的光束遇到了衍射光柵。這種光學(xué)器件具有周期性的規(guī)則或線型，每個(gè)都會(huì)散射光線。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了不同深度和間距的規(guī)則，以使光波結(jié)合在一起，形成一條與芯片表面幾乎成直角指向的寬光束。

重要的是，因?yàn)楣庠趦蓚€(gè)階段的擴(kuò)展過程中保持準(zhǔn)直或精確地平行，所以它保持停留在目標(biāo)上而不擴(kuò)散。準(zhǔn)直光束的面積現(xiàn)在足以通過很長的距離來探測(cè)大的擴(kuò)散原子組的光學(xué)特性。

研究人員已經(jīng)使用兩級(jí)轉(zhuǎn)換器成功分析了大約1億個(gè)氣態(tài)銣原子從一種能級(jí)躍升到另一種能級(jí)時(shí)的性質(zhì)。這是一個(gè)重要的概念驗(yàn)證，因?yàn)榛诠馀c原子氣體之間相互作用的裝置可以測(cè)量諸如時(shí)間、長度和磁場(chǎng)等物理量，并且還可以應(yīng)用于導(dǎo)航、通信和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

研究人員指出：“原子移動(dòng)非常快，如果監(jiān)測(cè)它們的光束太小，它們就會(huì)以非常快的速度進(jìn)出光束，以至很難測(cè)量它們”，“利用大型激光束，原子在光束中停留的時(shí)間更長，可以更精確地測(cè)量原子的特性”。這樣的測(cè)量可以改善波長和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。