新装置将光束扩宽了400倍

通过使用光波而不是电流来传输数据，光子芯片（即光电路）在从计时到电信的许多领域都有了先进的基础研究。但是对于许多应用来说，穿过这些电路的窄光束必须充分加宽才能与较大的片外系统连接。更宽的光束可以提高医学成像和诊断程序的速度和灵敏度，加强检测痕量有毒或挥发性化学物质的安全系统，并促进依赖于大组原子分析的设备。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们现已开发出一种高效的转换器，可以将光束直径扩宽400倍。相关研究内容已在《光：科学与应用》（Light：Science and Applications）杂志上发表。

转换器在两个连续的阶段中加宽了光束的横截面或面积。最初，光沿着光波导传播，这是一条薄而透明的通道，其光学特性将光束直径限制在几百纳米，不到人类头发平均直径的千分之一。因为波导通道非常狭窄，所以一些传播的光向外延伸超出了波导的边缘。利用这种拓宽的优势，研究小组将一个与波导材料相同的矩形板放置在距离波导一个微小的、精确测量过的距离上。光可以跳过两个组件之间的微小缝隙，并逐渐渗入平板。

平板在垂直（从上到下）的维度上保持光的窄度，但在横向或侧向维度上没有这样的限制。随着波导和平板之间的间隙逐渐变化，平板中的光形成精确定向的光束，其宽度是原来光束直径约300 nm（纳米）的400倍。

在扩展的第二阶段，即增大光的垂直维度，穿过平板的光束遇到了衍射光栅。这种光学器件具有周期性的规则或线型，每个都会散射光线。研究团队设计了不同深度和间距的规则，以使光波结合在一起，形成一条与芯片表面几乎成直角指向的宽光束。

重要的是，因为光在两个阶段的扩展过程中保持准直或精确地平行，所以它保持停留在目标上而不扩散。准直光束的面积现在足以通过很长的距离来探测大的扩散原子组的光学特性。

研究人员已经使用两级转换器成功分析了大约1亿个气态铷原子从一种能级跃升到另一种能级时的性质。这是一个重要的概念验证，因为基于光与原子气体之间相互作用的装置可以测量诸如时间、长度和磁场等物理量，并且还可以应用于导航、通信和医学领域。

研究人员指出：“原子移动非常快，如果监测它们的光束太小，它们就会以非常快的速度进出光束，以至很难测量它们”，“利用大型激光束，原子在光束中停留的时间更长，可以更精确地测量原子的特性”。这样的测量可以改善波长和时间标准。