利用光波而不是電流來傳輸數據，光子芯片（光的電路）已經在從計時到電信的許多領域進行了先進的基礎研究。但是對於許多應用來說，為了連接更大的非晶片系統，通過這些電路的窄光束必須被大幅放大。更寬的光束可以提高醫學成像和診斷程序、檢測微量有毒或揮發性化學物質的安全系統以及依賴於分析大量原子的設備的速度和靈敏度。美國國家標準與技術研究所(NIST)的科學家們現在已經開發出一種高效的轉換器，可以將光束的直徑放大400倍。NIST的物理學家Vladimir Aksyuk和他的同事，包括來自馬里蘭大學納米中心(位於馬里蘭大學帕克)和德克薩斯理工大學(位於盧伯克)的研究人員，在《光:科學與應用》上發表了他們的研究。
博科園-科學科普：變換器在兩個連續的階段中擴大了梁的橫截面或面積。起初，光沿著一根光波導傳播：一種薄而透明的通道，其光學特性將光束的直徑限制在幾百納米以內，不到人類頭髮平均直徑的千分之一。由於波導通道太窄，一些行進光向外延伸，超出波導的邊緣。利用這種展寬的優勢，研究小組放置了一個矩形平板，由與波導相同的材料構成，與波導之間的距離非常小，測量精確。光線可以穿過兩個部件之間的微小縫隙，逐漸漏入平板。平板在垂直(從上到下)維度上保持了光線的窄寬度，但是它沒有為橫向或橫向維度提供這樣的約束。當波導和平板之間的間隙逐漸改變時：
圖片：CC0 Public Domain
平板中的光形成一個精確定向的光束，其寬度是原始光束大約300納米直徑的400倍。在擴展的第二階段，也就是光的垂直維度增大時，穿過平板的光束遇到了衍射光柵。這種光學裝置具有周期性的規則或線條，每條規則或線條都會散射光線。研究小組設計了不同深度和間距的裁決，以便光波結合，形成一個單一的寬波束，指向接近一個直角的芯片表面。重要的是，在整個兩級膨脹過程中，光保持準直，或者精確地平行，這樣它就保持在目標上，不會散開。準直光束的面積現在足夠大，可以走很遠的距離來探測大擴散原子群的光學特性。
與科羅拉多州博爾德NIST的John Kitching領導的團隊合作，研究人員已經使用兩級轉換器成功地分析了大約1億個氣態銣原子從一個能級躍遷到另一個能級時的特性。這是一個重要的概念驗證，因為基於光和原子氣體之間相互作用的設備可以測量時間、長度和磁場等量，並在導航、通信和醫學上有應用。原子移動非常快，如果監測它們的光束太小，它們進出光束的速度就會非常快，以至於很難測量它們。使用大型激光束，原子在光束中停留的時間更長，從而能夠更精確地測量原子的特性，這樣的測量可以提高波長和時間標準。
博科園-科學科普｜研究/來自：國家標準與技術研究所
參考期刊文獻 :《光:科學與應用》
DOI: 10.1038/s41377-018-0073-2
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