預準直孔繫結構及其實現監測原子束冷卻效果的方法

2023-08-01 22:39:11

專利名稱：：預準直孔繫結構及其實現監測原子束冷卻效果的方法
技術領域：
：本發明屬於物理科學領域，涉及一種預準直孔系的結構及其實現監測原子束冷卻效果的方法。
背景技術：
：雷射冷卻原子技術就是利用輻射場與物質相互作用的動力學效應，通過適當選擇雷射的偏振、頻率和強度，使原子減速逐步達到超冷狀態(最低可致納開量級)。雷射冷卻原子技術一經發展就被廣泛地應用於科學與技術的各個前沿領域。主要應用領域有原子光刻技術、原子幹涉儀、冷原子鐘、單原子的俘獲及操控等。這種技術在原子光刻中的典型應用方案是使雷射束垂直於原子束構成橫向一維光學粘膠雷射冷卻區，它可以將原子束的橫向發散角大大壓縮，而原子束的通量卻不會被減小，為原子光刻實驗提供了高性能的準直原子束源。在目前利用雷射匯聚原子束沉積納米光柵樣品的研究中，原子束被準直的效果是影響沉積納米光柵結構品質的主要因素。但是，橫向一維光學粘膠雷射冷卻區對原子束的準直作用要求原子的橫向速度分量滿足捕獲條件。通常的方法是在原子進入雷射冷卻區之前讓它經過一個lXlmm的小孔對它進行預準直，利用機械的方法減小原子的橫向發散角到毫弧度量級。這種小孔通常被稱為"機械預準直孔"。經預準直後的原子束，在橫向一維光學粘膠雷射冷卻區，與近共振雷射束相互作用實現原子束一維準直。之後，經過準直的原子束進入位於基片(矽晶片等)前平行於基片的雷射駐波場，最終沉積在基片上形成納米光柵結構。為了觀察原子束的準直效果，通常在放入基片之前使經過雷射冷卻的原子自由運動一段較長的距離到達螢光探測區。通過比較有無冷卻雷射束存在的兩種情況下螢光光斑的橫向尺寸來觀察原子的冷卻效果。這種方法的缺點是由於基片的加入會阻擋原子使其不能到達螢光探測區域，無法在沉積光柵結構的同時實時監測原子束冷卻準直效果。雷射匯聚原子沉積納米光柵的所需時間大約為30-60分鐘，如果在這個過程中無法同時檢測原子的冷卻準直效果，將嚴重影響納米光柵的沉積效果和成品率。
發明內容本發明的目的在於提供一種預準直孔繫結構及其實現監測原子束冷卻效果的方法，可以通過監測穿過監測孔的原子束在螢光探測區產生的螢光光斑的分布情況，間接地實時監測從主預準直孔出射原子束的冷卻效果。為達到以上目的，本發明所採用的解決方案是一種預準直孔繫結構，其包括主預準直孔和兩個監測孔，兩個監測孔對稱的分布於主預準直孔兩側。該主預準直孔和兩個監測孔的中心處於同一直線上。該預準直孔系的厚度在0.01mm。該主預準直孔的尺寸範圍在IX(0.3-1.5)mm,兩個監測孔的尺寸相同，尺寸範圍在1X(0.7-1)mm，並且預準直孔系總的橫向尺寸X^滿足如下不等式formulaseeoriginaldocumentpage4式中，X。ven為坩堝口的橫向尺寸，Zsnt為預準直狹縫離坩堝口的距離，Vc寧ure為鉻原子的捕獲速度，V^p為鉻原子束的縱向最可幾速率。該預準直孔系的加工精度保持在相應尺寸的1/10。一種預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其包括以下步驟預準直孔系的主預準直孔和兩個監測孔的中心連線平行於冷卻雷射束，並且垂直於原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預準直孔和兩個監測孔後進入共振雷射冷卻區，在輻射力作用下實現橫向冷卻；穿過主預準直孔和兩個監測孔的原子束繼續前進到達螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生三個螢光斑點，並通過CCD攝像機記錄；調整各種實驗參數，通過以下兩種方式可以確定原子束的冷卻效果。其一，可以直接通過觀察穿過主預準直孔原子束所產生的螢光斑點冷卻前後的變化來確定；其二，可以通過觀察穿過監測孔原子束所產生的兩個螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況來確定。或者，預準直孔系的主預準直孔和兩個監測孔的中心連線平行於冷卻雷射束，並且垂直於原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預準直孔和兩個監測孔後進入共振雷射冷卻區，在輻射力作用下實現橫向冷卻；穿過主預準直孔的原子束由於沉積基片的阻擋不能進入螢光探測區，穿過監測孔的原子束則繼續向前進入螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生兩個螢光斑點，並通過CCD攝像機記錄；調整各種實驗參數，觀察兩個螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況就可以間接的反映出穿過主預準直孔出射原子束的冷卻效果。穿過主預準直孔和監測孔的原子束互不幹擾。該坩堝口、預準直孔系中主預準直孔的中心應在同一條軸線上。冷卻雷射束和探測雷射束相互平行並且與所述的坩堝口、主預準直孔的中心軸線正交。CCD攝像機應與探測雷射束和所述的坩堝口、主預準直孔的中心軸線構成的平面垂直。由於採用了上述技術方案，本發明具有以下特點1)製作工藝簡單，使用時調節方便，容易實現；2)可以通過監測穿過監測孔的原子束在螢光探測區產生的螢光光斑冷卻前後的分布情況，間接地實時監測穿過主預準直孔原子束的冷卻效果。圖1為本發明預準直孔系的簡易示意圖。圖2為本發明預準直孔系情況下沒有放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射冷卻準直前的螢光照片。圖3為本發明預準直孔系情況下沒有放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射冷卻準直後的螢光照片。圖4為本發明預準直孔系情況下沒有放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射冷卻準直前後通過Matlab程序讀取的螢光斑點沿虛線上的輪廓。圖5為本發明預準直孔系情況下放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射準直前的螢光照片。圖6為本發明預準直孔系情況下放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射準直後的螢光照片。圖7為本發明預準直孔系情況下放置基片時由CCD攝像機拍攝到的鉻原子束橫向一維雷射準直前後通過Matlab程序讀取的螢光斑點沿虛線上的輪廓。圖8為4.2mm的預準直狹縫沒有被分隔成三個小孔情況下的鉻原子束準直前後的橫向位置分布。圖9為4.2mm的預準直狹縫被分隔成三個小孔的情況下的鉻原子束準直前後的橫向位置分布。具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。如圖1所示，本發明由三個中心在同一直線上並排的小孔構成，它們之間的間隔相同。中心孔為主預準直孔l，兩側小孔分別為監測孔2、3，監測孔2、3的尺寸相同，並且對稱的分居中心孔的兩側。主預準直孔l與現有技術的預準直孔的作用完全相同；兩監測孔2、3用來監測原子束的冷卻效果，同時可以間接地監測通過中心孔原子束的冷卻效果。本發明預準直孔系的具體設計參數應為預準直孔系的厚度在0.01mm，中心孔的尺寸範圍在1X(0.3-1.5)mm，兩個監測孔在1X(0.7-1)mm。其加工精度保持在相應尺寸的1/10。本發明可用於利用雷射冷卻進行原子光刻、超低溫原子研究等各種實驗之中。本發明設計關鍵之處在於從預準直孔系兩邊開啟監測孔出射的原子其最大橫向速率仍然在雷射冷卻場的有效捕獲範圍之內，當中心小孔出射的原子在雷射冷卻場作用下被準直時，兩個監測孔出射的原子束同時也受到雷射冷卻場的作用，不僅兩原子束自身發散角變小原子密度提高，而且兩原子束之間的夾角也明顯變小。因而觀察穿過兩個監測孔的原子束的分布情況，就可以實時監測主預準直孔出射原子的冷卻效果。本發明預準直孔繫結構的實用性已通過雷射匯聚原子沉積納米光柵結構實驗和理論所驗證。下面以雷射匯聚鉻原子束沉積納米光柵樣品為例對本發明作進一步的說明。預準直孔系是由三個中心在同一直線上並排的小孔構成，如圖1所示。其包括主預準直孔l，監測孔2、3，從坩堝口噴發出的鉻原子從這三個孔穿過後被分作三部分。鉻原子束的第一部分從主預準直孔1穿過。主預準直孔1的作用與現有技術使用的預準直孔的作用完全相同，即鉻原子穿過主預準直孔l後，其橫向發散角被減小到4.5mrad，實現了原子束的機械預準直。被預準直後的原子向前運動進入長度為25mm、傳播方向與它垂直、失諧量為-5MHz(相對於鉻元素中52Cr原子共振躍遷7&~>7屍4°對應的頻率)的近共振冷卻雷射區，在輻射力的作用下被橫向冷卻。這部分原子繼續向前運動一定距離(10mm-50mm)後，如果沒有沉積基片的阻擋，則它們就會到達螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生一個螢光斑點，可以直接通過觀察這部分原子束所產生的螢光斑點冷卻前後的變化來確定他們的冷卻效果；如果有沉積基片，那麼它們就會在基片前、傳播方向與之垂直的失諧量較大(+250MHz)的匯聚雷射駐波場所施加的偶極力的作用下匯聚在駐波的波節處。經過一段作用時間後(30-60分鐘)，會在基片上形成一列相互平行的納米光柵結構，條紋的平均周期為雷射駐波場波長(對於鉻元素約為425nm)的一半。這樣，原子由於基片的阻擋而不能進入螢光探測區，也就無法知道沉積過程中它的冷卻效果的穩定性。鉻原子束的第二、三部分分別從監測孔2和孔監測3穿過。通過這兩個監測孔後的鉻原子繼續向前運動也進入上述長度為25mm、傳播方向與它垂直、失諧量為-5MHz的近共振冷卻雷射區，選擇合適的參數使它們也能與冷卻光束相互作用並被橫向冷卻。這部分原子經合適的基片架結構不受矽基片阻擋繼續向前運動到達螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生兩個螢光斑點。通過CCD攝像機記錄它們。調整各種實驗參數，觀察兩個螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況就可以間接地反映出通過孔1的原子束的冷卻效果。圖2-圖7是使用圖1所示的預準直孔系進行雷射匯聚原子沉積納米光柵結構實驗結果。當基片未插入時由CCD攝像機在螢光探測區記錄到的螢光光斑圖像如圖2-圖4所示。其中，圖2為準直前的照片，圖3為準直後的照片，圖4為使用Matlab程序讀取的螢光斑點沿虛線上的輪廓曲線。從圖4中可以看出，對應於三個小孔，鉻原子束準直前後都被分成三部分，通過孔1的原子束準直後與準直前相比，橫向寬度減小的同時，峰值也被大大地提高，而峰值位置基本不動，通過兩個監測孔2和3的原子束相對於原子束中軸處具有較好的對稱分布，準直後與準直前相比，橫向寬度減小的同時，峰值有所提高，同時峰值位置向著原子束中軸處作對稱性的位移，兩原子束之間的夾角明顯變小。通過比較這兩種情況下的光斑尺寸，就可以定量的得出鉻原子束經雷射準直後，橫向發散角變為0.1mrad。在沉積過程中，由於基片的插入致使透過孔1的原子束被阻擋掉，透過兩個檢測孔2和3的原子束進入基片後的螢光探測區，如圖5-圖7所示，其中圖5為雷射準直前的照片，圖6為雷射準直後的照片，圖7為使用Matlab程序讀取的螢光斑點沿虛線上的輪廓曲線。它們給出的現象和圖2-圖4中顯示的圖像完全相似。因此，可以根據螢光圖像亮變情況和向中心位移情況來判斷透過孔1原子束的冷卻準直效果。下面從近共振雷射場中原子受到的作用力入手，在理論上對這種預準直方案的可行性給予證明。將入射雷射按原路返回，形成一維雷射駐波場。對於橫向速率Vx,O的同一個原子，入射和反射的雷射束會因不同的都卜勒頻移而對原子產生不同的耗散力。兩者疊加形成的駐波準直雷射場中原子所受到的合力為formulaseeoriginaldocumentpage6式中，「為原子的自然線寬；A為除以2n的普朗克常數；S(Tl/Io為雷射場的共振飽和參數，定義為雷射強度I和原子躍遷飽和強度Io之比；Szw-"c為雷射相對於共振頻率的失諧量，k為雷射束波矢。通過上式，利用適當步長的四階Rimge-Kutta算法即可實現對鉻原子束的一維都卜勒雷射準直理論模擬。通過計算知道要想使得從兩個監測孔出射的原子其最大橫向速率仍然在雷射冷卻場的有效捕獲範圍之內，則預準直孔系總的橫向尺寸必須滿足如下不等式formulaseeoriginaldocumentpage6式中，X^為預準直孔系總的橫向尺寸，X。ven為坩堝口的橫向尺寸，Zsut為預準直狹縫離坩堝口的距離，即縱向為置，Vcapture為鉻原子的捕獲速度，Vzmp為鉻原子束的縱向最可幾速率。計算得，在X。ve^lmm，Zsu產600mm，Vzmp=960m/s(對應於坩堝溫度為1650°C)的情況下，總橫向尺寸Xsu「4.2mm的預準直孔系滿足(2)式。圖8給出了預準直孔系沒有被分隔成三個小孔的情況下，鉻原子束準直前後的橫向位置分布。從圖8中可以看出，預準直後的鉻原子束經過雷射準直後具有單峰結構，與準直前相比準直後原子束的半高寬和中心峰值分別為準直前的0.46和2.19。圖9給出了使用圖1所示的預準直孔系前提下鉻原子束準直前後的單峰結構被分隔成三部分的情況。通過圖1中孔l、孔2和孔3的原子束分別構成峰a或a，、b或b'、c或c，。這裡所顯示的三峰結構與圖4中的輪廓曲線是相對應的。其準直前後的相關變化比率如表1所示。表l:圖9中三個峰的高寬和峰值在準直後與準直前的變化比率tableseeoriginaldocumentpage6從中表l中的數據可以看出，通過預準直孔系中三個小孔鉻原子束的半高寬變小的同時峰值被大大提高；兩個邊鋒相對於中心峰來說，被準直的情況完全對稱。從圖9中看出，準直前a峰和c峰相對於中心峰b以及準直後a'峰和c'峰相對於中心峰b'的分布非常對稱；準直後中心峰b'與準直前的b峰沒有相對位移，準直後的a'峰和c'峰相對於準直前的a峰和c峰都向著原子束的中軸處有對稱的位移。這和圖2和圖3所示雷射匯聚原子沉積納米光柵結構實驗中在螢光探測區記錄到的螢光光斑圖像相一致。在沉積過程中基片把透過主預準直孔1的原子束阻擋掉，在基片後面螢光探測區記錄透過兩個監測孔2和3的原子束的螢光光斑圖像呈現出的亮變情況和向中心位移情況來判斷透過孔1原子束的冷卻準直效果，以便保證樣品是在原子的橫向發散角最小的情況下沉積形成的。雷射匯聚原子形成納米光柵結構的實驗是在超淨室中進行的，實驗儀器包括高質量雷射光源、雷射倍頻系統、雷射穩頻系統、真空室、原子爐、聲光調製器、波長計、功率計、CCD相機、計算機及相關軟體、各種光學鏡面及波片等。為了使得穿過主預準直孔及監測孔的原子束互不幹擾，並且都會被雷射冷卻，首先應設計原子流傳輸的路線，其中包括原子束從坩堝口出射後，預準直孔系、冷卻雷射束、探測雷射束和CCD相機等一系列儀器擺放位置的設計，在此基礎上計算選擇孔系的總橫向尺寸，計算雷射冷卻區的長度。在這其中應注意以下幾點第一、坩堝口、預準直孔系中主預準直孔的中心應在同一條軸線上；第二、冷卻雷射束和探測雷射束相互平行並且與第一條中所述的軸線正交；第三、CCD相機應與探測雷射束和第一條中所屬的軸線構成的平面垂直。上述的對實施例的描述是為便於該
技術領域：
的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。權利要求1、一種預準直孔繫結構，其特徵在於其包含一個主預準直孔和兩個監測孔，兩個監測孔對稱的分布於主預準直孔兩側。2、如權利要求l所述的預準直孔繫結構，其特徵在於該主預準直孔和兩個監測孔的中心處於同一直線上。3、如權利要求1所述的預準直孔繫結構，其特徵在於該預準直孔系的厚度在0.01mm。4、如權利要求l所述的預準直孔繫結構，其特徵在於該主預準直孔的尺寸範圍在1X(0.3-1.5)mm，兩個監測孔的尺寸相同，尺寸範圍在IX(0.7-1)mm，並且預準直孔系總的橫向尺寸X^滿足如下不等式Z_F式中，X,為坩堝口的橫向尺寸，Z^為預準直狹縫離坩堝口的距離，Vce為鉻原子的捕獲速度，Vzmp為鉻原子束的縱向最可幾速率。5、如權利要求l所述的預準直孔繫結構，其特徵在於該預準直孔系的加工精度保持在相應尺寸的1/10。6、一種預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其特徵在於其包括以下步驟預準直孔系的主預準直孔和兩個監測孔的中心連線平行於冷卻雷射束，並且垂直於原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預準直孔和兩個監測孔後進入共振雷射冷卻區，在輻射力作用下實現橫向冷卻；穿過主預準直孔和兩個監測孔的原子束繼續前進到達螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生三個螢光斑點，並通過CCD攝像機記錄；調整各種實驗參數，通過以下兩種方式可以確定原子束的冷卻效果，其一，直接通過觀察穿過主預準直孔原子束所產生的螢光斑點冷卻前後的變化來確定；其二，通過觀察穿過監測孔原子束所產生的兩個螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況來確定；或者，預準直孔系的主預準直孔和兩個監測孔的中心連線平行於冷卻雷射束，並且垂直於原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預準直孔和兩個監測孔後進入共振雷射冷卻區，在輻射力作用下實現橫向冷卻；穿過主預準直孔的原子束由於沉積基片的阻擋不能進入螢光探測區，穿過監測孔的原子束則繼續向前進入螢光探測區，在探測雷射束的激發下產生兩個螢光斑點，並通過CCD攝像機記錄；調整各種實驗參數，觀察兩個螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況就可以間接的反映出穿過主預準直孔原子束的冷卻效果。7、如權利要求6所述的預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其特徵在於穿過主預準直孔和兩側監測孔的原子束互不幹擾。8、如權利要求6所述的預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其特徵在於該坩堝口、預準直孔系中主預準直孔的中心應在同一條軸線上。9、如權利要求8所述的預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其特徵在於冷卻雷射束和探測雷射束相互平行並且與所述的坩堝口、主預準直孔的中心軸線正交。10、如權利要求8所述的預準直孔系實現監測原子束冷卻效果的方法，其特徵在於CCD攝像機應與探測雷射束和所述的坩堝口、主預準直孔的中心軸線構成的平面垂直。全文摘要本發明為一種預準直孔繫結構及其實現監測原子束冷卻效果的方法。該預準直孔繫結構，包括一個主預準直孔和兩個監測孔，其中的兩個監測孔的尺寸相同並且對稱的分布於主預準直孔的兩側，三個孔的中心位於同一直線上。在雷射匯聚原子束沉積過程中，當穿過主預準直孔的原子被沉積基片阻擋時，可通過監測穿過兩側監測孔的原子在螢光探測區產生的螢光斑點冷卻前後相對於原子束中軸的分布情況來間接的反映穿過主預準直孔原子束的冷卻效果。本發明結構簡單，調節方便，容易實現，而且可以有效地監測穿過主預準直孔原子束的冷卻效果。文檔編號G01T7/00GK101303412SQ20081004020公開日2008年11月12日申請日期2008年7月4日優先權日2008年7月4日發明者張寶武,張文濤,李同保,豔馬申請人:同濟大學