Nouveaux circuits photoniques à puce créés pour convertir un seul faisceau laser en de nombreux nouveaux faisceaux différents

La mise en forme et le contrôle précis des faisceaux de lumière visible sont essentiels au diagnostic et à l'étude des maladies humaines et à la capture des atomes qui constituent la base des horloges, de l'informatique quantique et de nombreuses autres technologies quantiques les plus précises au monde.
Récemment, des chercheurs de l'Institut national des normes et technologies (NIST) ont annoncé la conception d'un circuit photonique sur une puce capable de convertir un seul faisceau laser incident en une série de nouveaux faisceaux et de donner à chaque faisceau des propriétés optiques différentes.

Selon le rapport, les faisceaux nouvellement générés conservent la fréquence du faisceau d'origine tout en quittant le circuit depuis différents emplacements de la puce. Cela permet aux scientifiques et aux ingénieurs de choisir les caractéristiques spécifiques d’un ou plusieurs faisceaux pour une application particulière.
Lorsque le faisceau pénètre dans la puce photonique, il est dirigé vers une zone où un séparateur de faisceau divise l'onde lumineuse en deux parties. À chaque endroit, une fine couche de pentoxyde de tantale, semblable à du fromage suisse, modifie de nombreuses propriétés de l'onde lumineuse, notamment sa phase et sa polarisation.
Cependant, cela nécessite généralement des optiques volumineuses qui occupent beaucoup d'espace en laboratoire. Le nouveau dispositif conçu par le NIST pourrait à terme éliminer le besoin de telles optiques et aider à miniaturiser la dernière génération d'horloges atomiques et d'autres dispositifs afin qu'ils puissent réellement être utilisé. De petites horloges optiques atomiques portables pourraient grandement améliorer les systèmes de navigation, en particulier sous l’eau où le GPS n’est pas disponible.
Lentilles asphériques polies CNC de haute précision
La plupart des méthodes de mise en forme et de direction de la lumière sur une puce, y compris celles utilisant des hypersurfaces, impliquent généralement la conversion d'un seul faisceau de lumière doté d'un ensemble de propriétés en un seul faisceau de lumière doté d'un autre ensemble de propriétés différentes.
En revanche, explique Grisha Spektor, chercheuse au NIST, leur appareil peut générer un grand nombre de faisceaux façonnés à partir d'un seul faisceau d'entrée. Les chercheurs ont besoin de plusieurs faisceaux laser bombardant simultanément le nuage atomique depuis différentes directions pour capturer et refroidir le nuage afin qu’il puisse servir de base à une horloge atomique. La dernière génération d’horloges atomiques optiques, qui sont susceptibles de devenir le nouveau standard international pour définir la seconde, nécessitent généralement six faisceaux laser.
Le circuit génère ces faisceaux dans une couche ultra-mince de pentoxyde de tantale de 150-nanomètre d'épaisseur. Le pentoxyde de tantale, généralement utilisé dans les revêtements optiques, possède un indice de réfraction élevé et est presque entièrement transparent.
À l'aide d'algorithmes informatiques, Grisha Spektor et ses collègues ont imprimé sur la couche de pentoxyde de tantale un motif semblable à celui d'un fromage suisse pour produire plusieurs faisceaux, chacun ayant des propriétés différentes. Grisha Spektor explique que le circuit photonique étant constitué d'une seule couche de matériau, il peut être fabriqué avec une relative facilité et adapté à des tailles plus grandes selon les besoins.
Les résultats montrent que le faisceau laser pénètre dans la puce par un canal qui dirige la lumière vers plusieurs endroits différents de la puce. A chaque endroit, le flux optique est divisé en deux parties. La structure du pentoxyde de tantale confère à chaque flux une phase différente : la position de l'onde lumineuse dans ses cycles de pointe et de creux.