新设备将光束扩大了400倍-提高了医学成像和毒素检测的灵敏度

通过使用光波代替电流来传输数据，用于光的光子芯片电路已经在从计时到电信的许多领域进行了基础研究。但是对于许多应用来说，穿过这些电路的窄光束必须大幅加宽，以便与更大的片外系统连接。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，检测痕量有毒或挥发性化学物质的安全系统以及依赖于大量原子分析的装置。

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转换器，可将光束直径扩大400倍。NIST物理学家Vladimir Aksyuk及其同事，包括马里兰州大学公园的马里兰纳罗中心大学和拉伯克的德克萨斯理工大学的研究人员，在“ 光：科学与应用 ”杂志上描述了他们的工作。

转换器在两个连续阶段中加宽横截面或梁的面积。最初，光沿着光波导传播 - 一个薄的透明通道，其光学特性将光束的直径限制在几百纳米，小于人类头发平均直径的千分之一。因为波导通道很窄，所以一些行进光向外延伸超出波导的边缘。利用这种扩展，该团队放置了一个矩形板，由与波导相同的材料组成，与波导的距离很小，精确测量。光线可以穿过两个部件之间的微小间隙，逐渐渗入板坯。

平板在垂直(从顶部到底部)尺寸上保持光的窄宽度，但是它对横向或侧向尺寸没有提供这样的约束。随着波导和平板之间的间隙逐渐变化，平板中的光形成比原始光束的约300nm直径宽400倍的精确定向光束。

在扩展的第二阶段，其扩大了光的垂直尺寸，穿过平板的光束遇到衍射光栅。该光学装置具有周期性的刻划或线，每个刻划或线都散射光。该团队设计了裁定的深度和间距，以便使光波相结合，形成一个与芯片表面几乎成直角的单个宽光束。

重要的是，在整个两阶段扩展过程中，光线保持准直或精确平行，因此它保持在目标上并且不会展开。准直光束的面积现在足够大，可以探测探测大的原子扩散分组的光学特性所需的长距离。

与科罗拉多州博尔德的NIST的John Kitching领导的团队合作，研究人员已经使用两级转换器成功分析了从一个能级跃升到另一个能级的约1亿个气态铷原子的特性。这是一个重要的概念验证，因为基于光和原子气体之间相互作用的设备可以测量时间，长度和磁场等数量，并可用于导航，通信和医学。