Нови фотонни вериги на чип, създадени за преобразуване на единичен лазерен лъч в много различни нови лъчи

Точното оформяне и контролиране на видимите светлинни лъчи е от решаващо значение за диагностицирането и изучаването на човешките заболявания и улавянето на атомите, които формират основата на най-точните часовници в света, квантовите изчисления и много други квантови технологии.
Наскоро изследователи от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) обявиха дизайна на фотонна верига върху чип, който може да преобразува един падащ лазерен лъч в поредица от нови лъчи и да накара всеки лъч да има различни оптични свойства.

Според доклада, новогенерираните лъчи запазват честотата на оригиналния лъч, докато напускат веригата от различни места на чипа. Това позволява на учени и инженери да избират специфичните характеристики на един или повече лъчи за конкретно приложение.
Когато лъчът навлезе във фотонния чип, той се насочва към област, където разделител на лъчи разделя светлинната вълна на две части. На всяко място тънък подобен на швейцарско сирене слой от танталов пентоксид променя много от свойствата на светлинната вълна, включително нейната фаза и поляризация.
Това обаче обикновено изисква обемна оптика, която заема много лабораторно пространство. Новото устройство, проектирано от NIST, може в крайна сметка да елиминира нуждата от такава оптика и да помогне за миниатюризирането на най-новото поколение атомни часовници и други устройства, така че те действително да могат да бъдат използвани. Малки преносими атомни оптични часовници биха могли значително да подобрят навигационните системи, особено под водата, където GPS не е наличен.
Високо прецизни CNC-полирани асферични лещи
Повечето методи за оформяне и насочване на светлина върху чип, включително тези, използващи хиперповърхности, обикновено включват преобразуване на един лъч светлина с един набор от свойства в един лъч светлина с друг набор от различни свойства.
За разлика от това, казва изследователят на NIST Гриша Спектор, тяхното устройство може да генерира голям брой оформени лъчи от един входен лъч. Изследователите се нуждаят от множество лазерни лъчи, бомбардиращи атомния облак едновременно от различни посоки, за да уловят и охладят облака, така че да може да се използва като основа за атомен часовник. Най-новото поколение оптични атомни часовници, които вероятно ще се превърнат в новия международен стандарт за определяне на секундата, обикновено изискват шест лазерни лъча.
Веригата генерира тези лъчи в ултратънък 150-нанометров слой от танталов пентоксид. Танталният пентоксид, който обикновено се използва в оптични покрития, има висок индекс на пречупване и е почти напълно прозрачен.
Използвайки компютърни алгоритми, Гриша Спектор и колегите му отпечатаха слоя танталов пентоксид с модел, подобен на швейцарско сирене, за да произведат множество лъчи, всеки с различни свойства. Гриша Спектор казва, че тъй като фотонната верига се състои от един слой материал, тя може да бъде произведени с относителна лекота и мащабирани до по-големи размери, ако е необходимо.
Резултатите показват, че лазерният лъч навлиза в чипа през канал, който насочва светлината към няколко различни места в чипа. На всяко място оптичният поток се разделя на две части. Структурата на танталовия пентоксид дава на всеки поток различна фаза - позицията на светлинната вълна в нейните пикови и най-ниски цикли.