专利名称：：预准直孔系结构及其实现监测原子束冷却效果的方法
技术领域：
：本发明属于物理科学领域，涉及一种预准直孔系的结构及其实现监测原子束冷却效果的方法。
背景技术：
：激光冷却原子技术就是利用辐射场与物质相互作用的动力学效应，通过适当选择激光的偏振、频率和强度，使原子减速逐步达到超冷状态(最低可致纳开量级)。激光冷却原子技术一经发展就被广泛地应用于科学与技术的各个前沿领域。主要应用领域有原子光刻技术、原子干涉仪、冷原子钟、单原子的俘获及操控等。这种技术在原子光刻中的典型应用方案是使激光束垂直于原子束构成横向一维光学粘胶激光冷却区，它可以将原子束的横向发散角大大压縮，而原子束的通量却不会被减小，为原子光刻实验提供了高性能的准直原子束源。在目前利用激光汇聚原子束沉积纳米光栅样品的研究中，原子束被准直的效果是影响沉积纳米光栅结构品质的主要因素。但是，横向一维光学粘胶激光冷却区对原子束的准直作用要求原子的横向速度分量满足捕获条件。通常的方法是在原子进入激光冷却区之前让它经过一个lXlmm的小孔对它进行预准直，利用机械的方法减小原子的横向发散角到毫弧度量级。这种小孔通常被称为"机械预准直孔"。经预准直后的原子束，在横向一维光学粘胶激光冷却区，与近共振激光束相互作用实现原子束一维准直。之后，经过准直的原子束进入位于基片(硅晶片等)前平行于基片的激光驻波场，最终沉积在基片上形成纳米光栅结构。为了观察原子束的准直效果，通常在放入基片之前使经过激光冷却的原子自由运动一段较长的距离到达荧光探测区。通过比较有无冷却激光束存在的两种情况下荧光光斑的横向尺寸来观察原子的冷却效果。这种方法的缺点是由于基片的加入会阻挡原子使其不能到达荧光探测区域，无法在沉积光栅结构的同时实时监测原子束冷却准直效果。激光汇聚原子沉积纳米光栅的所需时间大约为30-60分钟，如果在这个过程中无法同时检测原子的冷却准直效果，将严重影响纳米光栅的沉积效果和成品率。
发明内容本发明的目的在于提供一种预准直孔系结构及其实现监测原子束冷却效果的方法，可以通过监测穿过监测孔的原子束在荧光探测区产生的荧光光斑的分布情况，间接地实时监测从主预准直孔出射原子束的冷却效果。为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是一种预准直孔系结构，其包括主预准直孔和两个监测孔，两个监测孔对称的分布于主预准直孔两侧。该主预准直孔和两个监测孔的中心处于同一直线上。该预准直孔系的厚度在0.01mm。该主预准直孔的尺寸范围在IX(0.3-1.5)mm,两个监测孔的尺寸相同，尺寸范围在1X(0.7-1)mm，并且预准直孔系总的横向尺寸X^满足如下不等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，X。ven为坩埚口的横向尺寸，Zsnt为预准直狭缝离坩埚口的距离，Vc寧ure为铬原子的捕获速度，V^p为铬原子束的纵向最可几速率。该预准直孔系的加工精度保持在相应尺寸的1/10。一种预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其包括以下步骤预准直孔系的主预准直孔和两个监测孔的中心连线平行于冷却激光束，并且垂直于原子束中轴线；从坩埚口中喷射出的原子束穿过主预准直孔和两个监测孔后进入共振激光冷却区，在辐射力作用下实现横向冷却；穿过主预准直孔和两个监测孔的原子束继续前进到达荧光探测区，在探测激光束的激发下产生三个荧光斑点，并通过CCD摄像机记录；调整各种实验参数，通过以下两种方式可以确定原子束的冷却效果。其一，可以直接通过观察穿过主预准直孔原子束所产生的荧光斑点冷却前后的变化来确定；其二，可以通过观察穿过监测孔原子束所产生的两个荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况来确定。或者，预准直孔系的主预准直孔和两个监测孔的中心连线平行于冷却激光束，并且垂直于原子束中轴线；从坩埚口中喷射出的原子束穿过主预准直孔和两个监测孔后进入共振激光冷却区，在辐射力作用下实现横向冷却；穿过主预准直孔的原子束由于沉积基片的阻挡不能进入荧光探测区，穿过监测孔的原子束则继续向前进入荧光探测区，在探测激光束的激发下产生两个荧光斑点，并通过CCD摄像机记录；调整各种实验参数，观察两个荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况就可以间接的反映出穿过主预准直孔出射原子束的冷却效果。穿过主预准直孔和监测孔的原子束互不干扰。该坩埚口、预准直孔系中主预准直孔的中心应在同一条轴线上。冷却激光束和探测激光束相互平行并且与所述的坩埚口、主预准直孔的中心轴线正交。CCD摄像机应与探测激光束和所述的坩埚口、主预准直孔的中心轴线构成的平面垂直。由于采用了上述技术方案，本发明具有以下特点1)制作工艺简单，使用时调节方便，容易实现；2)可以通过监测穿过监测孔的原子束在荧光探测区产生的荧光光斑冷却前后的分布情况，间接地实时监测穿过主预准直孔原子束的冷却效果。图1为本发明预准直孔系的简易示意图。图2为本发明预准直孔系情况下没有放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光冷却准直前的荧光照片。图3为本发明预准直孔系情况下没有放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光冷却准直后的荧光照片。图4为本发明预准直孔系情况下没有放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光冷却准直前后通过Matlab程序读取的荧光斑点沿虚线上的轮廓。图5为本发明预准直孔系情况下放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光准直前的荧光照片。图6为本发明预准直孔系情况下放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光准直后的荧光照片。图7为本发明预准直孔系情况下放置基片时由CCD摄像机拍摄到的铬原子束横向一维激光准直前后通过Matlab程序读取的荧光斑点沿虚线上的轮廓。图8为4.2mm的预准直狭缝没有被分隔成三个小孔情况下的铬原子束准直前后的横向位置分布。图9为4.2mm的预准直狭缝被分隔成三个小孔的情况下的铬原子束准直前后的横向位置分布。具体实施例方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示，本发明由三个中心在同一直线上并排的小孔构成，它们之间的间隔相同。中心孔为主预准直孔l，两侧小孔分别为监测孔2、3，监测孔2、3的尺寸相同，并且对称的分居中心孔的两侧。主预准直孔l与现有技术的预准直孔的作用完全相同；两监测孔2、3用来监测原子束的冷却效果，同时可以间接地监测通过中心孔原子束的冷却效果。本发明预准直孔系的具体设计参数应为预准直孔系的厚度在0.01mm，中心孔的尺寸范围在1X(0.3-1.5)mm，两个监测孔在1X(0.7-1)mm。其加工精度保持在相应尺寸的1/10。本发明可用于利用激光冷却进行原子光刻、超低温原子研究等各种实验之中。本发明设计关键之处在于从预准直孔系两边开启监测孔出射的原子其最大横向速率仍然在激光冷却场的有效捕获范围之内，当中心小孔出射的原子在激光冷却场作用下被准直时，两个监测孔出射的原子束同时也受到激光冷却场的作用，不仅两原子束自身发散角变小原子密度提高，而且两原子束之间的夹角也明显变小。因而观察穿过两个监测孔的原子束的分布情况，就可以实时监测主预准直孔出射原子的冷却效果。本发明预准直孔系结构的实用性已通过激光汇聚原子沉积纳米光栅结构实验和理论所验证。下面以激光汇聚铬原子束沉积纳米光栅样品为例对本发明作进一步的说明。预准直孔系是由三个中心在同一直线上并排的小孔构成，如图1所示。其包括主预准直孔l，监测孔2、3，从坩埚口喷发出的铬原子从这三个孔穿过后被分作三部分。铬原子束的第一部分从主预准直孔1穿过。主预准直孔1的作用与现有技术使用的预准直孔的作用完全相同，即铬原子穿过主预准直孔l后，其横向发散角被减小到4.5mrad，实现了原子束的机械预准直。被预准直后的原子向前运动进入长度为25mm、传播方向与它垂直、失谐量为-5MHz(相对于铬元素中52Cr原子共振跃迁7&~>7尸4°对应的频率)的近共振冷却激光区，在辐射力的作用下被横向冷却。这部分原子继续向前运动一定距离(10mm-50mm)后，如果没有沉积基片的阻挡，则它们就会到达荧光探测区，在探测激光束的激发下产生一个荧光斑点，可以直接通过观察这部分原子束所产生的荧光斑点冷却前后的变化来确定他们的冷却效果；如果有沉积基片，那么它们就会在基片前、传播方向与之垂直的失谐量较大(+250MHz)的汇聚激光驻波场所施加的偶极力的作用下汇聚在驻波的波节处。经过一段作用时间后(30-60分钟)，会在基片上形成一列相互平行的纳米光栅结构，条纹的平均周期为激光驻波场波长(对于铬元素约为425nm)的一半。这样，原子由于基片的阻挡而不能进入荧光探测区，也就无法知道沉积过程中它的冷却效果的稳定性。铬原子束的第二、三部分分别从监测孔2和孔监测3穿过。通过这两个监测孔后的铬原子继续向前运动也进入上述长度为25mm、传播方向与它垂直、失谐量为-5MHz的近共振冷却激光区，选择合适的参数使它们也能与冷却光束相互作用并被横向冷却。这部分原子经合适的基片架结构不受硅基片阻挡继续向前运动到达荧光探测区，在探测激光束的激发下产生两个荧光斑点。通过CCD摄像机记录它们。调整各种实验参数，观察两个荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况就可以间接地反映出通过孔1的原子束的冷却效果。图2-图7是使用图1所示的预准直孔系进行激光汇聚原子沉积纳米光栅结构实验结果。当基片未插入时由CCD摄像机在荧光探测区记录到的荧光光斑图像如图2-图4所示。其中，图2为准直前的照片，图3为准直后的照片，图4为使用Matlab程序读取的荧光斑点沿虚线上的轮廓曲线。从图4中可以看出，对应于三个小孔，铬原子束准直前后都被分成三部分，通过孔1的原子束准直后与准直前相比，横向宽度减小的同时，峰值也被大大地提高，而峰值位置基本不动，通过两个监测孔2和3的原子束相对于原子束中轴处具有较好的对称分布，准直后与准直前相比，横向宽度减小的同时，峰值有所提高，同时峰值位置向着原子束中轴处作对称性的位移，两原子束之间的夹角明显变小。通过比较这两种情况下的光斑尺寸，就可以定量的得出铬原子束经激光准直后，横向发散角变为0.1mrad。在沉积过程中，由于基片的插入致使透过孔1的原子束被阻挡掉，透过两个检测孔2和3的原子束进入基片后的荧光探测区，如图5-图7所示，其中图5为激光准直前的照片，图6为激光准直后的照片，图7为使用Matlab程序读取的荧光斑点沿虚线上的轮廓曲线。它们给出的现象和图2-图4中显示的图像完全相似。因此，可以根据荧光图像亮变情况和向中心位移情况来判断透过孔1原子束的冷却准直效果。下面从近共振激光场中原子受到的作用力入手，在理论上对这种预准直方案的可行性给予证明。将入射激光按原路返回，形成一维激光驻波场。对于横向速率Vx,O的同一个原子，入射和反射的激光束会因不同的多普勒频移而对原子产生不同的耗散力。两者叠加形成的驻波准直激光场中原子所受到的合力为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，「为原子的自然线宽；A为除以2n的普朗克常数；S(Tl/Io为激光场的共振饱和参数，定义为激光强度I和原子跃迁饱和强度Io之比；Szw-"c为激光相对于共振频率的失谐量，k为激光束波矢。通过上式，利用适当步长的四阶Rimge-Kutta算法即可实现对铬原子束的一维多普勒激光准直理论模拟。通过计算知道要想使得从两个监测孔出射的原子其最大横向速率仍然在激光冷却场的有效捕获范围之内，则预准直孔系总的横向尺寸必须满足如下不等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，X^为预准直孔系总的横向尺寸，X。ven为坩埚口的横向尺寸，Zsut为预准直狭缝离坩埚口的距离，即纵向为置，Vcapture为铬原子的捕获速度，Vzmp为铬原子束的纵向最可几速率。计算得，在X。ve^lmm，Zsu产600mm，Vzmp=960m/s(对应于坩埚温度为1650°C)的情况下，总横向尺寸Xsu「4.2mm的预准直孔系满足(2)式。图8给出了预准直孔系没有被分隔成三个小孔的情况下，铬原子束准直前后的横向位置分布。从图8中可以看出，预准直后的铬原子束经过激光准直后具有单峰结构，与准直前相比准直后原子束的半高宽和中心峰值分别为准直前的0.46和2.19。图9给出了使用图1所示的预准直孔系前提下铬原子束准直前后的单峰结构被分隔成三部分的情况。通过图1中孔l、孔2和孔3的原子束分别构成峰a或a，、b或b'、c或c，。这里所显示的三峰结构与图4中的轮廓曲线是相对应的。其准直前后的相关变化比率如表1所示。表l:图9中三个峰的高宽和峰值在准直后与准直前的变化比率<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>从中表l中的数据可以看出，通过预准直孔系中三个小孔铬原子束的半高宽变小的同时峰值被大大提高；两个边锋相对于中心峰来说，被准直的情况完全对称。从图9中看出，准直前a峰和c峰相对于中心峰b以及准直后a'峰和c'峰相对于中心峰b'的分布非常对称；准直后中心峰b'与准直前的b峰没有相对位移，准直后的a'峰和c'峰相对于准直前的a峰和c峰都向着原子束的中轴处有对称的位移。这和图2和图3所示激光汇聚原子沉积纳米光栅结构实验中在荧光探测区记录到的荧光光斑图像相一致。在沉积过程中基片把透过主预准直孔1的原子束阻挡掉，在基片后面荧光探测区记录透过两个监测孔2和3的原子束的荧光光斑图像呈现出的亮变情况和向中心位移情况来判断透过孔1原子束的冷却准直效果，以便保证样品是在原子的横向发散角最小的情况下沉积形成的。激光汇聚原子形成纳米光栅结构的实验是在超净室中进行的，实验仪器包括高质量激光光源、激光倍频系统、激光稳频系统、真空室、原子炉、声光调制器、波长计、功率计、CCD相机、计算机及相关软件、各种光学镜面及波片等。为了使得穿过主预准直孔及监测孔的原子束互不干扰，并且都会被激光冷却，首先应设计原子流传输的路线，其中包括原子束从坩埚口出射后，预准直孔系、冷却激光束、探测激光束和CCD相机等一系列仪器摆放位置的设计，在此基础上计算选择孔系的总横向尺寸，计算激光冷却区的长度。在这其中应注意以下几点第一、坩埚口、预准直孔系中主预准直孔的中心应在同一条轴线上；第二、冷却激光束和探测激光束相互平行并且与第一条中所述的轴线正交；第三、CCD相机应与探测激光束和第一条中所属的轴线构成的平面垂直。上述的对实施例的描述是为便于该
技术领域：
的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种预准直孔系结构，其特征在于其包含一个主预准直孔和两个监测孔，两个监测孔对称的分布于主预准直孔两侧。2、如权利要求l所述的预准直孔系结构，其特征在于该主预准直孔和两个监测孔的中心处于同一直线上。3、如权利要求1所述的预准直孔系结构，其特征在于该预准直孔系的厚度在0.01mm。4、如权利要求l所述的预准直孔系结构，其特征在于该主预准直孔的尺寸范围在1X(0.3-1.5)mm，两个监测孔的尺寸相同，尺寸范围在IX(0.7-1)mm，并且预准直孔系总的横向尺寸X^满足如下不等式Z_F式中，X,为坩埚口的横向尺寸，Z^为预准直狭缝离坩埚口的距离，Vce为铬原子的捕获速度，Vzmp为铬原子束的纵向最可几速率。5、如权利要求l所述的预准直孔系结构，其特征在于该预准直孔系的加工精度保持在相应尺寸的1/10。6、一种预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其特征在于其包括以下步骤预准直孔系的主预准直孔和两个监测孔的中心连线平行于冷却激光束，并且垂直于原子束中轴线；从坩埚口中喷射出的原子束穿过主预准直孔和两个监测孔后进入共振激光冷却区，在辐射力作用下实现横向冷却；穿过主预准直孔和两个监测孔的原子束继续前进到达荧光探测区，在探测激光束的激发下产生三个荧光斑点，并通过CCD摄像机记录；调整各种实验参数，通过以下两种方式可以确定原子束的冷却效果，其一，直接通过观察穿过主预准直孔原子束所产生的荧光斑点冷却前后的变化来确定；其二，通过观察穿过监测孔原子束所产生的两个荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况来确定；或者，预准直孔系的主预准直孔和两个监测孔的中心连线平行于冷却激光束，并且垂直于原子束中轴线；从坩埚口中喷射出的原子束穿过主预准直孔和两个监测孔后进入共振激光冷却区，在辐射力作用下实现横向冷却；穿过主预准直孔的原子束由于沉积基片的阻挡不能进入荧光探测区，穿过监测孔的原子束则继续向前进入荧光探测区，在探测激光束的激发下产生两个荧光斑点，并通过CCD摄像机记录；调整各种实验参数，观察两个荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况就可以间接的反映出穿过主预准直孔原子束的冷却效果。7、如权利要求6所述的预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其特征在于穿过主预准直孔和两侧监测孔的原子束互不干扰。8、如权利要求6所述的预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其特征在于该坩埚口、预准直孔系中主预准直孔的中心应在同一条轴线上。9、如权利要求8所述的预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其特征在于冷却激光束和探测激光束相互平行并且与所述的坩埚口、主预准直孔的中心轴线正交。10、如权利要求8所述的预准直孔系实现监测原子束冷却效果的方法，其特征在于CCD摄像机应与探测激光束和所述的坩埚口、主预准直孔的中心轴线构成的平面垂直。全文摘要本发明为一种预准直孔系结构及其实现监测原子束冷却效果的方法。该预准直孔系结构，包括一个主预准直孔和两个监测孔，其中的两个监测孔的尺寸相同并且对称的分布于主预准直孔的两侧，三个孔的中心位于同一直线上。在激光汇聚原子束沉积过程中，当穿过主预准直孔的原子被沉积基片阻挡时，可通过监测穿过两侧监测孔的原子在荧光探测区产生的荧光斑点冷却前后相对于原子束中轴的分布情况来间接的反映穿过主预准直孔原子束的冷却效果。本发明结构简单，调节方便，容易实现，而且可以有效地监测穿过主预准直孔原子束的冷却效果。文档编号G01T7/00GK101303412SQ20081004020公开日2008年11月12日申请日期2008年7月4日优先权日2008年7月4日发明者张宝武,张文涛,李同保,艳马申请人:同济大学