据《激光制造网》了解，近日，美国国家标准与技术研究院(NIST) 的研究人员在《Nature》杂志上发表了一篇题为《Light: Science & Applications》的研究论文。论文称，该研究团队开发了一种可同时控制多速激光的波长、焦点、行进方向和偏振的芯片级设备系统，或能在新型量子设备中派上用场。 

NIST 研究人员设计并制造了一个芯片级系统，用于在将光发送到太空与设备或材料相互作用之前，对多束激光束（蓝色箭头）进行整形并控制它们的偏振。三个组件都有助于操纵激光束：渐逝波耦合器 (EVC)——将光从一个设备耦合到另一个设备；超光栅 (MG)——一个微小的表面，上面有着数百万个小孔，可以像大型衍射光栅一样散射光；和超表面 (MS)——这是一个小玻璃表面，上面镶嵌着数百万个用作透镜的柱子。图片来源：NIST。 

该系统的受控属性包括波长、焦点、方向和偏振。对此，NIST表示，使用单个芯片定制这些属性的能力“对于制造新型便携式传感器至关重要，这种传感器可以在实验室范围之外以前所未有的精度测量旋转、加速度、时间和磁场等基本量。”

通常情况下，即使控制单束激光，也需要一个与餐桌一样大的实验室工作台来容纳各种透镜、偏振器、反射镜和其他设备。然而，许多量子技术，包括微型光学原子钟和一些未来的量子计算机，将需要在一个极其微小的空间区域内同时访问多个广泛变化的激光波长。

为了解决这个问题，NIST科学家Vladimir Aksyuk和他的同事，结合了两种芯片级技术来开发新设备系统：集成光子电路和一个光学超表面。集成光子电路使用微小的透明通道和其他微型组件来引导光；而光学超表面由印有数百万个微小结构的玻璃晶圆组成，这些结构无需笨重的光学器件即可操纵光的特性。

Aksyuk 和他的团队证明，单个光子芯片可以完成36个光学元件的工作，同时控制12束分为4个不同波长的激光束方向、焦点和偏振（光波在传播时振动的平面）。

该团队的论文还表明，这种微型芯片可以引导两束不同颜色的光束并排传播，这能满足某些类型的高级原子钟的要求。

团队成员Amit Agrawal表示：“用可以在洁净室中制造的简单半导体晶圆代替装满笨重光学元件的光学平台，这颠覆了以往的方法规则。”他补充说， “这类技术是必需的，因为它们坚固、紧凑，并且可以很容易地重新配置以用于现实世界条件下的不同实验。”

Aksyuk 指出，基于芯片的光学系统还在继续开发中。例如，激光的功率还不足以将原子冷却到微型先进原子钟所需的超低温。

虽然激光通常会激发原子，使它们升温并加快移动速度，但如果仔细选择光的频率和其他特性，则会发生相反的情况。当激光光子撞击原子时，会诱导原子释放能量并冷却，以便它们可以被磁场捕获。

即使没有冷却能力，微型光学系统“也是在芯片上构建先进原子钟的关键踏脚石！”Aksyuk 说。