Nya chip fotoniska kretsar skapade för att konvertera en enda laserstråle till många olika nya strålar

Att noggrant forma och kontrollera synliga ljusstrålar är avgörande för att diagnostisera och studera mänskliga sjukdomar och fånga de atomer som utgör grunden för världens mest exakta klockor, kvantberäkningar och många andra kvantteknologier.
Nyligen tillkännagav forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) designen av en fotonisk krets på ett chip som kan omvandla en enda infallande laserstråle till en serie nya strålar, och få varje stråle att ha olika optiska egenskaper.

Enligt rapporten behåller de nygenererade strålarna frekvensen av den ursprungliga strålen samtidigt som de lämnar kretsen från olika platser på chipet. Detta gör det möjligt för forskare och ingenjörer att välja de specifika egenskaperna för en eller flera strålar för en viss applikation.
När strålen kommer in i fotonchippet riktas den mot ett område där en stråldelare delar upp ljusvågen i två delar. På varje plats förändrar ett tunt schweizisk ostliknande lager av tantalpentoxid många av ljusvågens egenskaper, inklusive dess fas och polarisering.
Att göra det kräver dock vanligtvis skrymmande optik som tar upp mycket labbutrymme. Den nya enheten designad av NIST skulle i slutändan kunna eliminera behovet av sådan optik och hjälpa till att miniatyrisera den senaste generationen av atomur och andra enheter så att de faktiskt kan vara Begagnade. Små, bärbara optiska atomklockor skulle kunna förbättra navigationssystemen avsevärt, särskilt under vattnet där GPS inte är tillgängligt.
CNC-polerade asfäriska linser med hög precision
De flesta metoder för att forma och rikta ljus på ett chip, inklusive de som använder hyperytor, involverar vanligtvis att konvertera en enda ljusstråle med en uppsättning egenskaper till en enda ljusstråle med en annan uppsättning olika egenskaper.
Däremot, säger NIST-forskaren Grisha Spektor, kan deras enhet generera ett stort antal formade strålar från en enda ingångsstråle. Forskarna behöver flera laserstrålar som bombarderar atommolnet samtidigt från olika riktningar för att fånga och kyla molnet så att det kan användas som grund för en atomklocka. Den senaste generationen optiska atomklockor, som sannolikt kommer att bli den nya internationella standarden för att definiera den andra, kräver vanligtvis sex laserstrålar.
Kretsen genererar dessa strålar i ett ultratunt 150-nanometertjockt lager av tantalpentoxid. Tantalpentoxid, som vanligtvis används i optiska beläggningar, har ett högt brytningsindex och är nästan helt transparent.
Med hjälp av datoralgoritmer tryckte Grisha Spektor och hans kollegor tantalpentoxidlagret med ett schweizisk ostliknande mönster för att producera flera strålar, var och en med olika egenskaper. Grisha Spektor säger att eftersom den fotoniska kretsen består av ett enda lager av material, kan den vara tillverkas relativt lätt och skalas upp till större storlekar efter behov.
Resultaten visar att laserstrålen kommer in i chippet genom en kanal som riktar ljus till flera olika platser i chipet. På varje plats delas det optiska flödet i två delar. Strukturen av tantalpentoxid ger varje ström en annan fas - ljusvågens position i dess topp- och dalcykler.