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Winziger Chip, der mehrere Laserstrahlen steuert

17.04.2023

Ingenieure des US National Institute of Standards and Technology haben Geräte im Chipmaßstab entwickelt, um Farbe, Fokus, Bewegungsrichtung und Polarisation mehrerer Laserlichtstrahlen gleichzeitig zu steuern. Die Entwicklung eignet sich für die Erstellung tragbarer Sensoren und Quantengeräte.

Herkömmliche optische Systeme, die es ermöglichen, auch nur einen einzigen Laserstrahl zu steuern, stellen ein großflächiges Gebilde von der Größe eines Esstisches dar. Es beherbergt viele Linsen, Polarisatoren, Spiegel und andere Geräte. Um tragbare Sensoren und Quantencomputer herzustellen, werden Miniaturchips benötigt.

Die Forscher kombinierten zwei Technologien auf Chipebene: photonische integrierte Schaltungen, die winzige transparente Kanäle und andere Mikrokomponenten für Licht verwenden; und eine Quelle unkonventioneller Optik, die als optische Metaoberfläche bekannt ist. Solche Oberflächen bestehen aus Glasplatten mit Millionen winziger Strukturen, die nur wenige hundertmilliardstel Meter hoch sind und die Eigenschaften des Lichts manipulieren, ohne dass eine sperrige Optik erforderlich ist.

Das System zur Bildung mehrerer Laserstrahlen (blaue Pfeile) und zur Steuerung ihrer Polarisation besteht aus drei Komponenten: einem evaneszenten Koppler (EVC), der Licht von einem Gerät zum anderen leitet; Metagitter (MG), Streulicht; und die Metaoberfläche (MS), eine kleine glasige Oberfläche, die mit Millionen von Säulen übersät ist, die als Linsen fungieren.

In einer Reihe von Experimenten zeigten die Forscher, dass ein einzelner photonischer Chip die Arbeit von 36 optischen Komponenten erledigte und gleichzeitig die Richtung, den Fokus und die Polarisation (die Ebene, in der eine Lichtwelle oszilliert, während sie sich bewegt) von 12 geteilten Laserstrahlen steuerte in vier verschiedene Farben. Sie zeigten auch, dass ein winziger Chip zwei Strahlen unterschiedlicher Farbe so lenken konnte, dass sie parallel laufen. Dies ist notwendig, um Atomuhren herzustellen.

Die Forscher merken an, dass sie weiterhin an einem vollwertigen optischen System auf Basis des Chips arbeiten. Bisher ist Laserlicht noch nicht stark genug, um Atome auf die ultratiefen Temperaturen zu kühlen, die für fortschrittliche Miniatur-Atomuhren erforderlich sind.

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