新裝置將光束擴寬了400倍

通過使用光波而不是電流來傳輸數據，光子芯片（即光電路）在從計時到電信的許多領域都有了先進的基礎研究。但是對于許多應用來說，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連接。更寬的光束可以提高醫學成像和診斷程序的速度和靈敏度，加強檢測痕量有毒或揮發性化學物質的安全系統，并促進依賴于大組原子分析的設備。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家們現已開發出一種高效的轉換器，可以將光束直徑擴寬400倍。相關研究內容已在《光：科學與應用》（Light：Science and Applications）雜志上發表。

轉換器在兩個連續的階段中加寬了光束的橫截面或面積。最初，光沿著光波導傳播，這是一條薄而透明的通道，其光學特性將光束直徑限制在幾百納米，不到人類頭發平均直徑的千分之一。因為波導通道非常狹窄，所以一些傳播的光向外延伸超出了波導的邊緣。利用這種拓寬的優勢，研究小組將一個與波導材料相同的矩形板放置在距離波導一個微小的、精確測量過的距離上。光可以跳過兩個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，但在橫向或側向維度上沒有這樣的限制。隨著波導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。這種光學器件具有周期性的規則或線型，每個都會散射光線。研究團隊設計了不同深度和間距的規則，以使光波結合在一起，形成一條與芯片表面幾乎成直角指向的寬光束。

重要的是，因為光在兩個階段的擴展過程中保持準直或精確地平行，所以它保持停留在目標上而不擴散。準直光束的面積現在足以通過很長的距離來探測大的擴散原子組的光學特性。

研究人員已經使用兩級轉換器成功分析了大約1億個氣態銣原子從一種能級躍升到另一種能級時的性質。這是一個重要的概念驗證，因為基于光與原子氣體之間相互作用的裝置可以測量諸如時間、長度和磁場等物理量，并且還可以應用于導航、通信和醫學領域。

研究人員指出：“原子移動非常快，如果監測它們的光束太小，它們就會以非常快的速度進出光束，以至很難測量它們”，“利用大型激光束，原子在光束中停留的時間更長，可以更精確地測量原子的特性”。這樣的測量可以改善波長和時間標準。