利用光波而不是电流来传输数据，光子芯片（光的电路）已经在从计时到电信的许多领域进行了先进的基础研究。但是对于许多应用来说，为了连接更大的非晶片系统，通过这些电路的窄光束必须被大幅放大。更宽的光束可以提高医学成像和诊断程序、检测微量有毒或挥发性化学物质的安全系统以及依赖于分析大量原子的设备的速度和灵敏度。美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们现在已经开发出一种高效的转换器，可以将光束的直径放大400倍。NIST的物理学家Vladimir Aksyuk和他的同事，包括来自马里兰大学纳米中心(位于马里兰大学帕克)和德克萨斯理工大学(位于卢伯克)的研究人员，在《光:科学与应用》上发表了他们的研究。
博科园-科学科普：变换器在两个连续的阶段中扩大了梁的横截面或面积。起初，光沿着一根光波导传播：一种薄而透明的通道，其光学特性将光束的直径限制在几百纳米以内，不到人类头发平均直径的千分之一。由于波导通道太窄，一些行进光向外延伸，超出波导的边缘。利用这种展宽的优势，研究小组放置了一个矩形平板，由与波导相同的材料构成，与波导之间的距离非常小，测量精确。光线可以穿过两个部件之间的微小缝隙，逐渐漏入平板。平板在垂直(从上到下)维度上保持了光线的窄宽度，但是它没有为横向或横向维度提供这样的约束。当波导和平板之间的间隙逐渐改变时：
图片：CC0 Public Domain
平板中的光形成一个精确定向的光束，其宽度是原始光束大约300纳米直径的400倍。在扩展的第二阶段，也就是光的垂直维度增大时，穿过平板的光束遇到了衍射光栅。这种光学装置具有周期性的规则或线条，每条规则或线条都会散射光线。研究小组设计了不同深度和间距的裁决，以便光波结合，形成一个单一的宽波束，指向接近一个直角的芯片表面。重要的是，在整个两级膨胀过程中，光保持准直，或者精确地平行，这样它就保持在目标上，不会散开。准直光束的面积现在足够大，可以走很远的距离来探测大扩散原子群的光学特性。
与科罗拉多州博尔德NIST的John Kitching领导的团队合作，研究人员已经使用两级转换器成功地分析了大约1亿个气态铷原子从一个能级跃迁到另一个能级时的特性。这是一个重要的概念验证，因为基于光和原子气体之间相互作用的设备可以测量时间、长度和磁场等量，并在导航、通信和医学上有应用。原子移动非常快，如果监测它们的光束太小，它们进出光束的速度就会非常快，以至于很难测量它们。使用大型激光束，原子在光束中停留的时间更长，从而能够更精确地测量原子的特性，这样的测量可以提高波长和时间标准。
博科园-科学科普｜研究/来自：国家标准与技术研究所
参考期刊文献 :《光:科学与应用》
DOI: 10.1038/s41377-018-0073-2
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