美國國家標準與(yu) 技術研究院（NIST）的研究人員在芯片上設計了一種光子電路，可以將單個(ge) 入射激光束轉換為(wei) 一係列新光束，每個(ge) 光束都具有許多不同的光學特性。

新生成的波束（保留原始波束的頻率）同時在芯片的不同位置離開電路。這允許科學家和工程師選擇特定應用所需的一個(ge) 或多個(ge) 光束的特定特性。

精確塑造和控製可見光光束對於(yu) 診斷和研究人類疾病、捕獲構成世界上最精確時鍾、量子計算和許多其他基於(yu) 量子的技術基礎的原子至關(guan) 重要。

然而，這樣做通常需要占用大量實驗室空間的笨重光學器件。NIST設計的新設備最終可以消除對這種光學器件的需求，並幫助最新一代原子鍾和其他設備的小型化，將它們(men) 帶出實驗室並進入工作場所。小型便攜式原子光學鍾可以極大地改善導航係統，特別是在沒有GPS的水下。

當光束進入光子芯片時，它被引導到分束器將光波分成兩(liang) 部分的區域。在每個(ge) 位置，一層薄薄的五氧化二鉭的瑞士奶酪狀結構改變了光波的許多特性，包括其相位和偏振。

大多數在芯片上塑造和引導光的方法，包括那些使用超表麵的方法，通常將具有一組屬性的單個(ge) 光束轉換為(wei) 具有一組不同屬性的另一個(ge) 單個(ge) 光束。

NIST研究員Grisha Spektor說：“相比之下，我們(men) 的設備可以從(cong) 單個(ge) 輸入光束產(chan) 生大量形狀光束。需要多個(ge) 激光束同時從(cong) 不同方向轟擊原子雲(yun) 來捕獲和冷卻雲(yun) ，以便它可以用作原子鍾的基礎。最新一代的光學原子鍾很可能成為(wei) 定義(yi) 秒的新國際（SI）標準，通常需要六束激光束。”

研究人員包括來自加利福尼亞(ya) 州斯坦福大學，博爾德科羅拉多大學和博爾德Octave Photonics的科學家，他們(men) 在近日的Optica雜誌上介紹了該項工作。

NIST構建的新型光子芯片如何塑造入射光束的三個(ge) 例子。芯片內(nei) 的薄層由五氧化二鉭製成，形成一種結構，可以根據其水平方向（θ）和層上方的高度（φ）改變出射光束（光束振動的平麵）的偏振。芯片可以重塑光束的形狀，以圓形模式或徑向模式振動。此外，材料的結構可以將光束重塑為(wei) 渦旋，從(cong) 而改變其相位（光波在其波峰和穀值周期中的位置）。

該電路在150納米（十億(yi) 分之一米）厚的超薄五氧化二鉭層內(nei) 產(chan) 生這些光束，約為(wei) 人類紅細胞直徑的百分之一。五氧化二鉭通常用於(yu) 光學鍍膜，具有高折射率，幾乎完全透明。

使用計算機算法，Spektor和他的同事在五氧化二鉭層上印上類似瑞士奶酪的圖案，以產(chan) 生多個(ge) 光束，每個(ge) 光束具有不同的特性。Spektor說：“由於(yu) 光子電路由單層材料組成，因此可以相對容易地製造，並根據需要放大到更大的尺寸。”

激光束通過通道進入芯片，該通道將光引導到芯片內(nei) 的幾個(ge) 不同位置。在每個(ge) 位置，光流被分成兩(liang) 部分。五氧化二鉭的結構賦予每個(ge) 流一個(ge) 不同的階段 - 光波在其波峰和穀值循環中的位置。

此外，兩(liang) 個(ge) 分裂流（光波振動的平麵）中的每一個(ge) 的偏振相對於(yu) 另一個(ge) 旋轉90度。然後，這兩(liang) 個(ge) 流以各種方式重新組合和散射，從(cong) 而產(chan) 生具有幾乎任何所需相位、偏振、方向或發散的出射光束。

物理學家需要幾個(ge) 寬的或發散的光束來聚集原子鍾和其他量子技術中使用的原子雲(yun) 。發散光束提供了另一個(ge) 優(you) 勢：它們(men) 可以在芯片的微小區域內(nei) 產(chan) 生，不到人類頭發寬度的十分之一，使芯片能夠產(chan) 生許多緊密間隔的光束。創建光束所需的少量空間也使芯片的其餘(yu) 部分可以自由地執行其他任務，並容納特定實驗或應用可能需要的額外探測器或電子設備。

該團隊的測試結果顯示，芯片設備一旦完善，應該能夠在各種可見光顏色下引導、塑造和提供幾乎無限數量的緊密間隔的光束。