精确塑造和控制可见光光束，对于诊断和研究人类疾病、捕获构成世界上最精确时钟、量子计算和许多其他量子技术基础的原子至关重要。

近日，美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员宣布设计了一种芯片上的光子电路，它可以将单一入射激光束转换成一系列新光束，而且使每个光束都具有不同的光学特性。

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（图片来源：NIST）

据介绍，新产生的波束保留了原始波束的频率，同时从芯片的不同位置离开电路。这使得科学家和工程师可以为特定应用选择一个或多个光束的特定特性。

当光束进入光子芯片时，它被引导到一个分束器将光波分成两部分的区域。在每个位置，一层薄薄的五氧化二钽的瑞士奶酪状结构改变了光波的许多特性，包括它的相位和偏振。

然而，这样做通常需要占用大量实验室空间的笨重光学器件。NIST设计的新设备最终可以消除对这种光学器件的需求，并有助于使最新一代原子钟和其他设备小型化，使其能够实际使用。小型、便携的原子光学钟可以极大地改善导航系统，尤其是在没有GPS的水下。

高精度数控抛光非球面透镜

大多数在芯片上塑造和引导光线的方法，包括那些使用超表面的方法，通常是将具有一组属性的单一光束转换为具有另一组不同属性的单一光束。

NIST研究员Grisha Spektor表示，相比之下，他们的设备可以从单个输入光束产生大量的形状光束。研究人员需要从不同方向同时轰击原子云的多个激光束来捕获和冷却原子云，这样它就可以用作原子钟的基础。最新一代的光学原子钟很可能成为定义秒的新国际标准，它通常需要6束激光。

该电路在150纳米厚的超薄五氧化二钽层内产生这些光束。五氧化二钽，通常用于光学涂层，具有高折射率，几乎是完全透明的。

利用计算机算法，Grisha Spektor和他的同事们在五氧化二钽层上印上了瑞士奶酪状的图案，以产生多种光束，每种光束具有不同的特性。Grisha Spektor说，由于光子电路由单层材料组成，它可以相对容易地制造，并根据需要扩大到更大的尺寸。

结果显示，激光束通过一个通道进入芯片，该通道将光线引导到芯片内的几个不同位置。在每个位置，光流被分成两部分。五氧化二钽的结构赋予每个流不同的相位——光波在其波峰和波谷循环中的位置。