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刀口法测量铬原子光刻中激光冷却温度

作 者: 焦晓光
导 师: 钱进
学 校: 中国计量科学研究院
专 业: 测试计量技术及仪器
关键词: 铬原子光刻 一维激光多普勒冷却 刀口法 感生荧光探测 角分布 横向温度
分类号: O562
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-12
第一章 引言  12-20
  1.1 纳米计量概述  12-14
  1.2 原子光刻简介  14-15
  1.3 激光冷却简介  15-19
    1.3.1 激光冷却技术  15-17
    1.3.2 原子光刻中的激光冷却  17
    1.3.3 激光冷却效果的评价方法  17-19
  1.4 本文的主要研究内容  19-20
第二章 激光冷却及测量方法相关理论  20-39
  2.1 一维激光多普勒冷却  20-29
    2.1.1 受力分析  20-27
    2.1.2 原子运动轨迹模拟  27-29
  2.2 激光冷却效果评价参数选择  29-30
    2.2.1 原子束的横向温度  29
    2.2.2 原子束的运动状态描述  29-30
  2.3 激光冷却温度测量方法分析  30-39
    2.3.1 光致荧光探测  30-31
    2.3.2 直接测量法分析  31-35
    2.3.3 刀口法分析  35-39
第三章 实验装置  39-55
  3.1 实验装置总体设计  39-40
    3.1.1 性能要求  39
    3.1.2 实验装置框图  39-40
  3.2 铬原子源系统  40-46
    3.2.1 铬原子属性  40-42
    3.2.2 铬原子束的获得与调整  42-44
    3.2.3 高温原子炉的工作效率  44-46
  3.3 光学系统  46-51
    3.3.1 激光器系统  46-47
    3.3.2 光路系统  47-48
    3.3.3 感生荧光稳频系统  48-51
  3.4 真空系统  51-55
    3.4.1 真空系统结构与控制  51-53
    3.4.2 真空系统性能  53-55
第四章 测量结果与分析  55-70
  4.1 激光冷却观察  55-57
    4.1.1 三孔结构观察  55-57
    4.1.2 单孔结构观察  57
  4.2 刀口法测量  57-63
    4.2.1 实验结果1  58-59
    4.2.2 图像噪声的去除和荧光采集参数的选择  59-60
    4.2.3 实验结果2  60-63
  4.3 激光冷却场参数对冷原子温度的影响  63-70
    4.3.1 功率对冷原子温度的影响  63-65
    4.3.2 光斑大小对冷原子温度的影响  65-70
第五章 结果与讨论  70-72
参考文献  72-76
发表的文章  76-77
致谢  77

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 分子物理学、原子物理学 > 原子物理学
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