文摘:量子技术的蓬勃发展为光学领域提供了令人兴奋的机遇。本文包括我们在构建量子中继器或量子化学传感器时所面临的三个光学挑战，它们是:(1)如何设计用于捕获冷原子簇的衍射光栅;(2)如何利用单个表面图案芯片有效地生成光学瓶束;(3)如何在不损伤金刚石表面的情况下从金刚石色中心提取荧光。为了与小(原子尺度)量子系统相互作用，通常需要微型化的光学元件与微或纳米结构。这种紧凑的结构对仿真和制造方法都提出了要求。一方面，在设计和评估微型或纳米光学元件时，与传统的大型光学元件不同，光可以近似为射线，电磁场必须以纳米尺度的空间分辨率计算。另一方面，在制造微纳光学元件时，传统的机械抛光无法提供足够的精度，因此研究人员求助于已经在半导体行业使用的先进光刻技术(如电子束光刻、激光光刻)。针对不同的应用场景，详细介绍和讨论了相应的方法。利用时域有限差分(FDTD)模拟方法和电子束光刻制作方法，演示了:(1)一种用于捕获双原子种的光栅芯片; (2) an optical metasurface for generating a bottle beam array with a single Gaussian beam luminance; and (3) a silicon light extractor for enhancing the fluorescence collection from nitrogen-vacancy (NV) defects in diamond.