改进型光学为微型原子阱铺平了道路

在这个用于磁光阱 （MOT）激光冷却原子的新型微光学系统中，光子集成电路 （PIC） 发射一束激光，然后穿过四分之一波板 （QWP），然后撞击一个经过精心设计的超薄薄膜，称为超表面 （MS），该薄膜上镶嵌着微型柱体用于进一步扩展和塑形光束。光束再光栅芯片中衍射，在真空室内形成多个重叠的激光束。激光束和磁场的结合有效地冷却和捕获了大量气态原子。NIST供图。

磁光阱，或说是MOT，是冷原子物理学的主力。如果没有这种复杂的激光束和磁场排列，将原子冷却到绝对零值并观察其产生的量子效应几乎是不可能的。但是，在冷原子成为量子传感器、量子计算机或任何其它能够实际使用其量子性质的器件之前，这种笨重的传统驮马需要变得更像一匹小马，那就是足够稳定到可以完成这项工作，但体积要小很多。美国国家标准与技术研究所（NIST）的物理学家们现在朝着这个目标迈出了重要的一步。在William McGehee的带领下，研究人员使用平坦的、通过曝光制作的光学器件制造了一个只有15厘米长的MOT光学组件。虽然这对于实用的冷原子器件来说仍然太大，但它比普通餐桌大小的MOT相比要小得多。同时它也表明了集成光子学如何实现新的设计。McGehee 说："最终我们尝试开发的东西不仅仅是实验室的一个小型版本。你必须找到不同的方式来做同样的事情。"

组件协同工作

像所有 MOT 一样，NIST 团队的器件使用精确调谐的激光光束来冷却光束重叠区域内的原子。然而，与传统的MOT不同，新型微型MOT中的光束是使用平面光学元件生成、成形并且定向的。首先，激光器射出的光耦合到光子集成电路（PIC）上的纳米光子波导上。由于 PIC 的输出光束直径只有 140µm，并且对于小于几毫米的光束尺寸，激光的冷却效率低下，因此下一个任务是使光束变大。NIST 设计使用光学超表面来扩展光束，并在15厘米的距离后，使光束的宽度具有均匀的强度。此时光束照射衍射光栅，并分裂成激光冷却所需的三对相同强度但方向相反的光束。虽然这些光学元件都不是新的，但英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）的物理学家James McGilligan并没有参与NIST的研究，但他们之间协同工作的方式令他印象深刻。"这些技术的重叠绝不是简单的，"他说。尽管物理学家在MOT的其它组件小型化方面取得了进步，但McGilligan指出，光学输出系统"在小型化清单中仍然是一个笨重而难以捉摸的组件"。他说NIST集团的平面光学系统是"冷原子仪器"关键的一步。

从小型到微观

为了制造一个真正便携的MOT，McGehee认为光学组件需要进一步缩小，缩小到1厘米。这对NIST团队当前的设备来说很棘手，因为这意味着激光束的强度在它与原子相互作用的区域不再均匀。McGehee指出，这将是一个"复杂的"修复。"通过适当的模拟，你可以找出你需要的东西并且构建它，但这需要一两年时间，"他说。尽管如此，他和McGilligan都相信，进一步将器件微型化已经在进行中。McGilligan说："这项技术极有可能被全球各地的研究小组所采用，以帮助他们冷原子实验的小型化。他补充说，如果与紧凑的真空系统相结合，将原子与周围环境隔离开来，新的光学组件"极有可能最终将冷原子系统从实验室环境中带出来并进入芯片级器件，其精度和准确性对我们的技术水平将产生最大的影响"。

关于小型光学器件文章在发表在《New Journal of Physics》上。