刀口法测量铬原子光刻中激光冷却温度

【摘要】：原子光刻是一种新型的微纳米结构制作技术,其制作出的纳米结构可以直接溯源于激光波长,是理想的纳米标准样品制作技术。课题采用铬原子光刻技术制作纳米光栅样品,以期作为纳米节距标样和纳米线宽标样。本文在铬原子光刻系统平台上,重点研究了铬原子束的激光冷却过程。 介绍了不同激光冷却技术及其所能达到的极限温度,介绍了飞行时间法、直接测量法和刀口法三种激光冷却温度测量方法。采用半经典理论分析了铬原子的一维多普勒冷却过程,得出了原子在激光冷却场中的受力方程,在受力分析的基础上模拟了原子在激光冷却场中的运动轨迹。采用数值计算方法,分析了直接测量法和刀口法的测量过程,计算了刀口法的准确度和对探测距离的灵敏度,指出刀口法合适的探测距离为700mm。 参与研制了铬原子光刻系统,并对系统性能进行了测试。测试结果表明：真空系统的极限真空度可达10-7Pa量级,工作真空度优于2×10-5Pa,实验预抽真空时间少于3小时；铬原子炉的工作温度300℃C-2000℃,温度稳定度小于0.1℃,实验预加热时间约3小时；激光器系统输出激光中心波长在425.5 nm附近可调谐,功率可达200 mw；采用实验室自主研制的感生荧光稳频系统来保证激光的频率稳定性,经过实验调整,激光频率稳定性优于250 kHz。 设计了激光冷却光路系统,进行铬原子激光冷却实验。分别采用三孔结构和单孔结构的预准直孔进行实验,均获得了较好的激光冷却效果。设计研制了刀口法测温装置,进行刀口法测温实验,初次实验结果噪声较大,分析了刀口法测温过程的噪声,改进了刀口法测温装置,采用多幅图像叠加平均减背景和中值滤波等手段去除噪声,获得了良好的去噪效果。在刀口法测温的基础上,优化调整了冷却光路,实验分析了激光冷却场的功率和光斑大小对激光冷却效果的影响。结果表明：激光冷却场功率越大,纵向光斑尺寸越大,激光冷却效果越好,并出现饱和现象。在激光功率为45mw,光斑尺寸为1mm×23 mm的条件下,测得铬原子的激光冷却温度为152μK,该温度接近铬原子的多普勒冷却极限温度120μK。