專利名稱：：預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于物理科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種預(yù)準(zhǔn)直孔系的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法。
背景技術(shù)：
：激光冷卻原子技術(shù)就是利用輻射場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，通過適當(dāng)選擇激光的偏振、頻率和強(qiáng)度，使原子減速逐步達(dá)到超冷狀態(tài)(最低可致納開量級(jí))。激光冷卻原子技術(shù)一經(jīng)發(fā)展就被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)前沿領(lǐng)域。主要應(yīng)用領(lǐng)域有原子光刻技術(shù)、原子干涉儀、冷原子鐘、單原子的俘獲及操控等。這種技術(shù)在原子光刻中的典型應(yīng)用方案是使激光束垂直于原子束構(gòu)成橫向一維光學(xué)粘膠激光冷卻區(qū)，它可以將原子束的橫向發(fā)散角大大壓縮，而原子束的通量卻不會(huì)被減小，為原子光刻實(shí)驗(yàn)提供了高性能的準(zhǔn)直原子束源。在目前利用激光匯聚原子束沉積納米光柵樣品的研究中，原子束被準(zhǔn)直的效果是影響沉積納米光柵結(jié)構(gòu)品質(zhì)的主要因素。但是，橫向一維光學(xué)粘膠激光冷卻區(qū)對(duì)原子束的準(zhǔn)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(jìn)入激光冷卻區(qū)之前讓它經(jīng)過一個(gè)lXlmm的小孔對(duì)它進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)直，利用機(jī)械的方法減小原子的橫向發(fā)散角到毫弧度量級(jí)。這種小孔通常被稱為"機(jī)械預(yù)準(zhǔn)直孔"。經(jīng)預(yù)準(zhǔn)直后的原子束，在橫向一維光學(xué)粘膠激光冷卻區(qū)，與近共振激光束相互作用實(shí)現(xiàn)原子束一維準(zhǔn)直。之后，經(jīng)過準(zhǔn)直的原子束進(jìn)入位于基片(硅晶片等)前平行于基片的激光駐波場(chǎng)，最終沉積在基片上形成納米光柵結(jié)構(gòu)。為了觀察原子束的準(zhǔn)直效果，通常在放入基片之前使經(jīng)過激光冷卻的原子自由運(yùn)動(dòng)一段較長(zhǎng)的距離到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)。通過比較有無冷卻激光束存在的兩種情況下熒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(diǎn)是由于基片的加入會(huì)阻擋原子使其不能到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)域，無法在沉積光柵結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原子束冷卻準(zhǔn)直效果。激光匯聚原子沉積納米光柵的所需時(shí)間大約為30-60分鐘，如果在這個(gè)過程中無法同時(shí)檢測(cè)原子的冷卻準(zhǔn)直效果，將嚴(yán)重影響納米光柵的沉積效果和成品率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，可以通過監(jiān)測(cè)穿過監(jiān)測(cè)孔的原子束在熒光探測(cè)區(qū)產(chǎn)生的熒光光斑的分布情況，間接地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從主預(yù)準(zhǔn)直孔出射原子束的冷卻效果。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是一種預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其包括主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔，兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔對(duì)稱的分布于主預(yù)準(zhǔn)直孔兩側(cè)。該主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心處于同一直線上。該預(yù)準(zhǔn)直孔系的厚度在0.01mm。該主預(yù)準(zhǔn)直孔的尺寸范圍在IX(0.3-1.5)mm,兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的尺寸相同，尺寸范圍在1X(0.7-1)mm，并且預(yù)準(zhǔn)直孔系總的橫向尺寸X^滿足如下不等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，X。ven為坩堝口的橫向尺寸，Zsnt為預(yù)準(zhǔn)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(yù)準(zhǔn)直孔系的加工精度保持在相應(yīng)尺寸的1/10。一種預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其包括以下步驟預(yù)準(zhǔn)直孔系的主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心連線平行于冷卻激光束，并且垂直于原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔后進(jìn)入共振激光冷卻區(qū)，在輻射力作用下實(shí)現(xiàn)橫向冷卻；穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的原子束繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生三個(gè)熒光斑點(diǎn)，并通過CCD攝像機(jī)記錄；調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，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(yù)準(zhǔn)直孔原子束所產(chǎn)生的熒光斑點(diǎn)冷卻前后的變化來確定；其二，可以通過觀察穿過監(jiān)測(cè)孔原子束所產(chǎn)生的兩個(gè)熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于原子束中軸的分布情況來確定?；蛘?，預(yù)準(zhǔn)直孔系的主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心連線平行于冷卻激光束，并且垂直于原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔后進(jìn)入共振激光冷卻區(qū)，在輻射力作用下實(shí)現(xiàn)橫向冷卻；穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔的原子束由于沉積基片的阻擋不能進(jìn)入熒光探測(cè)區(qū)，穿過監(jiān)測(cè)孔的原子束則繼續(xù)向前進(jìn)入熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生兩個(gè)熒光斑點(diǎn)，并通過CCD攝像機(jī)記錄；調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察兩個(gè)熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于原子束中軸的分布情況就可以間接的反映出穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔出射原子束的冷卻效果。穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和監(jiān)測(cè)孔的原子束互不干擾。該坩堝口、預(yù)準(zhǔn)直孔系中主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心應(yīng)在同一條軸線上。冷卻激光束和探測(cè)激光束相互平行并且與所述的坩堝口、主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心軸線正交。CCD攝像機(jī)應(yīng)與探測(cè)激光束和所述的坩堝口、主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心軸線構(gòu)成的平面垂直。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1)制作工藝簡(jiǎn)單，使用時(shí)調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)；2)可以通過監(jiān)測(cè)穿過監(jiān)測(cè)孔的原子束在熒光探測(cè)區(qū)產(chǎn)生的熒光光斑冷卻前后的分布情況，間接地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔原子束的冷卻效果。圖1為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系的簡(jiǎn)易示意圖。圖2為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下沒有放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光冷卻準(zhǔn)直前的熒光照片。圖3為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下沒有放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光冷卻準(zhǔn)直后的熒光照片。圖4為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下沒有放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光冷卻準(zhǔn)直前后通過Matlab程序讀取的熒光斑點(diǎn)沿虛線上的輪廓。圖5為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光準(zhǔn)直前的熒光照片。圖6為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光準(zhǔn)直后的熒光照片。圖7為本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系情況下放置基片時(shí)由CCD攝像機(jī)拍攝到的鉻原子束橫向一維激光準(zhǔn)直前后通過Matlab程序讀取的熒光斑點(diǎn)沿虛線上的輪廓。圖8為4.2mm的預(yù)準(zhǔn)直狹縫沒有被分隔成三個(gè)小孔情況下的鉻原子束準(zhǔn)直前后的橫向位置分布。圖9為4.2mm的預(yù)準(zhǔn)直狹縫被分隔成三個(gè)小孔的情況下的鉻原子束準(zhǔn)直前后的橫向位置分布。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明由三個(gè)中心在同一直線上并排的小孔構(gòu)成，它們之間的間隔相同。中心孔為主預(yù)準(zhǔn)直孔l，兩側(cè)小孔分別為監(jiān)測(cè)孔2、3，監(jiān)測(cè)孔2、3的尺寸相同，并且對(duì)稱的分居中心孔的兩側(cè)。主預(yù)準(zhǔn)直孔l與現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)準(zhǔn)直孔的作用完全相同；兩監(jiān)測(cè)孔2、3用來監(jiān)測(cè)原子束的冷卻效果，同時(shí)可以間接地監(jiān)測(cè)通過中心孔原子束的冷卻效果。本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系的具體設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)為預(yù)準(zhǔn)直孔系的厚度在0.01mm，中心孔的尺寸范圍在1X(0.3-1.5)mm，兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔在1X(0.7-1)mm。其加工精度保持在相應(yīng)尺寸的1/10。本發(fā)明可用于利用激光冷卻進(jìn)行原子光刻、超低溫原子研究等各種實(shí)驗(yàn)之中。本發(fā)明設(shè)計(jì)關(guān)鍵之處在于從預(yù)準(zhǔn)直孔系兩邊開啟監(jiān)測(cè)孔出射的原子其最大橫向速率仍然在激光冷卻場(chǎng)的有效捕獲范圍之內(nèi)，當(dāng)中心小孔出射的原子在激光冷卻場(chǎng)作用下被準(zhǔn)直時(shí)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔出射的原子束同時(shí)也受到激光冷卻場(chǎng)的作用，不僅兩原子束自身發(fā)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(gè)監(jiān)測(cè)孔的原子束的分布情況，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主預(yù)準(zhǔn)直孔出射原子的冷卻效果。本發(fā)明預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)的實(shí)用性已通過激光匯聚原子沉積納米光柵結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和理論所驗(yàn)證。下面以激光匯聚鉻原子束沉積納米光柵樣品為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。預(yù)準(zhǔn)直孔系是由三個(gè)中心在同一直線上并排的小孔構(gòu)成，如圖1所示。其包括主預(yù)準(zhǔn)直孔l，監(jiān)測(cè)孔2、3，從坩堝口噴發(fā)出的鉻原子從這三個(gè)孔穿過后被分作三部分。鉻原子束的第一部分從主預(yù)準(zhǔn)直孔1穿過。主預(yù)準(zhǔn)直孔1的作用與現(xiàn)有技術(shù)使用的預(yù)準(zhǔn)直孔的作用完全相同，即鉻原子穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔l后，其橫向發(fā)散角被減小到4.5mrad，實(shí)現(xiàn)了原子束的機(jī)械預(yù)準(zhǔn)直。被預(yù)準(zhǔn)直后的原子向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)入長(zhǎng)度為25mm、傳播方向與它垂直、失諧量為-5MHz(相對(duì)于鉻元素中52Cr原子共振躍遷7&~>7尸4°對(duì)應(yīng)的頻率)的近共振冷卻激光區(qū)，在輻射力的作用下被橫向冷卻。這部分原子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一定距離(10mm-50mm)后，如果沒有沉積基片的阻擋，則它們就會(huì)到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生一個(gè)熒光斑點(diǎn)，可以直接通過觀察這部分原子束所產(chǎn)生的熒光斑點(diǎn)冷卻前后的變化來確定他們的冷卻效果；如果有沉積基片，那么它們就會(huì)在基片前、傳播方向與之垂直的失諧量較大(+250MHz)的匯聚激光駐波場(chǎng)所施加的偶極力的作用下匯聚在駐波的波節(jié)處。經(jīng)過一段作用時(shí)間后(30-60分鐘)，會(huì)在基片上形成一列相互平行的納米光柵結(jié)構(gòu)，條紋的平均周期為激光駐波場(chǎng)波長(zhǎng)(對(duì)于鉻元素約為425nm)的一半。這樣，原子由于基片的阻擋而不能進(jìn)入熒光探測(cè)區(qū)，也就無法知道沉積過程中它的冷卻效果的穩(wěn)定性。鉻原子束的第二、三部分分別從監(jiān)測(cè)孔2和孔監(jiān)測(cè)3穿過。通過這兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔后的鉻原子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)也進(jìn)入上述長(zhǎng)度為25mm、傳播方向與它垂直、失諧量為-5MHz的近共振冷卻激光區(qū)，選擇合適的參數(shù)使它們也能與冷卻光束相互作用并被橫向冷卻。這部分原子經(jīng)合適的基片架結(jié)構(gòu)不受硅基片阻擋繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生兩個(gè)熒光斑點(diǎn)。通過CCD攝像機(jī)記錄它們。調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察兩個(gè)熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于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(yù)準(zhǔn)直孔系進(jìn)行激光匯聚原子沉積納米光柵結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)基片未插入時(shí)由CCD攝像機(jī)在熒光探測(cè)區(qū)記錄到的熒光光斑圖像如圖2-圖4所示。其中，圖2為準(zhǔn)直前的照片，圖3為準(zhǔn)直后的照片，圖4為使用Matlab程序讀取的熒光斑點(diǎn)沿虛線上的輪廓曲線。從圖4中可以看出，對(duì)應(yīng)于三個(gè)小孔，鉻原子束準(zhǔn)直前后都被分成三部分，通過孔1的原子束準(zhǔn)直后與準(zhǔn)直前相比，橫向?qū)挾葴p小的同時(shí)，峰值也被大大地提高，而峰值位置基本不動(dòng)，通過兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔2和3的原子束相對(duì)于原子束中軸處具有較好的對(duì)稱分布，準(zhǔn)直后與準(zhǔn)直前相比，橫向?qū)挾葴p小的同時(shí)，峰值有所提高，同時(shí)峰值位置向著原子束中軸處作對(duì)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(jīng)激光準(zhǔn)直后，橫向發(fā)散角變?yōu)?.1mrad。在沉積過程中，由于基片的插入致使透過孔1的原子束被阻擋掉，透過兩個(gè)檢測(cè)孔2和3的原子束進(jìn)入基片后的熒光探測(cè)區(qū)，如圖5-圖7所示，其中圖5為激光準(zhǔn)直前的照片，圖6為激光準(zhǔn)直后的照片，圖7為使用Matlab程序讀取的熒光斑點(diǎn)沿虛線上的輪廓曲線。它們給出的現(xiàn)象和圖2-圖4中顯示的圖像完全相似。因此，可以根據(jù)熒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(zhǔn)直效果。下面從近共振激光場(chǎng)中原子受到的作用力入手，在理論上對(duì)這種預(yù)準(zhǔn)直方案的可行性給予證明。將入射激光按原路返回，形成一維激光駐波場(chǎng)。對(duì)于橫向速率Vx,O的同一個(gè)原子，入射和反射的激光束會(huì)因不同的多普勒頻移而對(duì)原子產(chǎn)生不同的耗散力。兩者疊加形成的駐波準(zhǔn)直激光場(chǎng)中原子所受到的合力為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，「為原子的自然線寬；A為除以2n的普朗克常數(shù)；S(Tl/Io為激光場(chǎng)的共振飽和參數(shù)，定義為激光強(qiáng)度I和原子躍遷飽和強(qiáng)度Io之比；Szw-"c為激光相對(duì)于共振頻率的失諧量，k為激光束波矢。通過上式，利用適當(dāng)步長(zhǎng)的四階Rimge-Kutta算法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉻原子束的一維多普勒激光準(zhǔn)直理論模擬。通過計(jì)算知道要想使得從兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔出射的原子其最大橫向速率仍然在激光冷卻場(chǎng)的有效捕獲范圍之內(nèi)，則預(yù)準(zhǔn)直孔系總的橫向尺寸必須滿足如下不等式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，X^為預(yù)準(zhǔn)直孔系總的橫向尺寸，X。ven為坩堝口的橫向尺寸，Zsut為預(yù)準(zhǔn)直狹縫離坩堝口的距離，即縱向?yàn)橹?，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(jì)算得，在X。ve^lmm，Zsu產(chǎn)600mm，Vzmp=960m/s(對(duì)應(yīng)于坩堝溫度為1650°C)的情況下，總橫向尺寸Xsu「4.2mm的預(yù)準(zhǔn)直孔系滿足(2)式。圖8給出了預(yù)準(zhǔn)直孔系沒有被分隔成三個(gè)小孔的情況下，鉻原子束準(zhǔn)直前后的橫向位置分布。從圖8中可以看出，預(yù)準(zhǔn)直后的鉻原子束經(jīng)過激光準(zhǔn)直后具有單峰結(jié)構(gòu)，與準(zhǔn)直前相比準(zhǔn)直后原子束的半高寬和中心峰值分別為準(zhǔn)直前的0.46和2.19。圖9給出了使用圖1所示的預(yù)準(zhǔn)直孔系前提下鉻原子束準(zhǔn)直前后的單峰結(jié)構(gòu)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(gòu)成峰a或a，、b或b'、c或c，。這里所顯示的三峰結(jié)構(gòu)與圖4中的輪廓曲線是相對(duì)應(yīng)的。其準(zhǔn)直前后的相關(guān)變化比率如表1所示。表l:圖9中三個(gè)峰的高寬和峰值在準(zhǔn)直后與準(zhǔn)直前的變化比率<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從中表l中的數(shù)據(jù)可以看出，通過預(yù)準(zhǔn)直孔系中三個(gè)小孔鉻原子束的半高寬變小的同時(shí)峰值被大大提高；兩個(gè)邊鋒相對(duì)于中心峰來說，被準(zhǔn)直的情況完全對(duì)稱。從圖9中看出，準(zhǔn)直前a峰和c峰相對(duì)于中心峰b以及準(zhǔn)直后a'峰和c'峰相對(duì)于中心峰b'的分布非常對(duì)稱；準(zhǔn)直后中心峰b'與準(zhǔn)直前的b峰沒有相對(duì)位移，準(zhǔn)直后的a'峰和c'峰相對(duì)于準(zhǔn)直前的a峰和c峰都向著原子束的中軸處有對(duì)稱的位移。這和圖2和圖3所示激光匯聚原子沉積納米光柵結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中在熒光探測(cè)區(qū)記錄到的熒光光斑圖像相一致。在沉積過程中基片把透過主預(yù)準(zhǔn)直孔1的原子束阻擋掉，在基片后面熒光探測(cè)區(qū)記錄透過兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔2和3的原子束的熒光光斑圖像呈現(xiàn)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(zhǔn)直效果，以便保證樣品是在原子的橫向發(fā)散角最小的情況下沉積形成的。激光匯聚原子形成納米光柵結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)是在超凈室中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)儀器包括高質(zhì)量激光光源、激光倍頻系統(tǒng)、激光穩(wěn)頻系統(tǒng)、真空室、原子爐、聲光調(diào)制器、波長(zhǎng)計(jì)、功率計(jì)、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件、各種光學(xué)鏡面及波片等。為了使得穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔及監(jiān)測(cè)孔的原子束互不干擾，并且都會(huì)被激光冷卻，首先應(yīng)設(shè)計(jì)原子流傳輸?shù)穆肪€，其中包括原子束從坩堝口出射后，預(yù)準(zhǔn)直孔系、冷卻激光束、探測(cè)激光束和CCD相機(jī)等一系列儀器擺放位置的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算選擇孔系的總橫向尺寸，計(jì)算激光冷卻區(qū)的長(zhǎng)度。在這其中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)第一、坩堝口、預(yù)準(zhǔn)直孔系中主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心應(yīng)在同一條軸線上；第二、冷卻激光束和探測(cè)激光束相互平行并且與第一條中所述的軸線正交；第三、CCD相機(jī)應(yīng)與探測(cè)激光束和第一條中所屬的軸線構(gòu)成的平面垂直。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1、一種預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其特征在于其包含一個(gè)主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔，兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔對(duì)稱的分布于主預(yù)準(zhǔn)直孔兩側(cè)。2、如權(quán)利要求l所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其特征在于該主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心處于同一直線上。3、如權(quán)利要求1所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其特征在于該預(yù)準(zhǔn)直孔系的厚度在0.01mm。4、如權(quán)利要求l所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其特征在于該主預(yù)準(zhǔn)直孔的尺寸范圍在1X(0.3-1.5)mm，兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的尺寸相同，尺寸范圍在IX(0.7-1)mm，并且預(yù)準(zhǔn)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(yù)準(zhǔn)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(quán)利要求l所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，其特征在于該預(yù)準(zhǔn)直孔系的加工精度保持在相應(yīng)尺寸的1/10。6、一種預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其特征在于其包括以下步驟預(yù)準(zhǔn)直孔系的主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心連線平行于冷卻激光束，并且垂直于原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔后進(jìn)入共振激光冷卻區(qū)，在輻射力作用下實(shí)現(xiàn)橫向冷卻；穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的原子束繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生三個(gè)熒光斑點(diǎn)，并通過CCD攝像機(jī)記錄；調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，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(yù)準(zhǔn)直孔原子束所產(chǎn)生的熒光斑點(diǎn)冷卻前后的變化來確定；其二，通過觀察穿過監(jiān)測(cè)孔原子束所產(chǎn)生的兩個(gè)熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于原子束中軸的分布情況來確定；或者，預(yù)準(zhǔn)直孔系的主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的中心連線平行于冷卻激光束，并且垂直于原子束中軸線；從坩堝口中噴射出的原子束穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔后進(jìn)入共振激光冷卻區(qū)，在輻射力作用下實(shí)現(xiàn)橫向冷卻；穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔的原子束由于沉積基片的阻擋不能進(jìn)入熒光探測(cè)區(qū)，穿過監(jiān)測(cè)孔的原子束則繼續(xù)向前進(jìn)入熒光探測(cè)區(qū)，在探測(cè)激光束的激發(fā)下產(chǎn)生兩個(gè)熒光斑點(diǎn)，并通過CCD攝像機(jī)記錄；調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察兩個(gè)熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于原子束中軸的分布情況就可以間接的反映出穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔原子束的冷卻效果。7、如權(quán)利要求6所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其特征在于穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩側(cè)監(jiān)測(cè)孔的原子束互不干擾。8、如權(quán)利要求6所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其特征在于該坩堝口、預(yù)準(zhǔn)直孔系中主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心應(yīng)在同一條軸線上。9、如權(quán)利要求8所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其特征在于冷卻激光束和探測(cè)激光束相互平行并且與所述的坩堝口、主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心軸線正交。10、如權(quán)利要求8所述的預(yù)準(zhǔn)直孔系實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法，其特征在于CCD攝像機(jī)應(yīng)與探測(cè)激光束和所述的坩堝口、主預(yù)準(zhǔn)直孔的中心軸線構(gòu)成的平面垂直。全文摘要本發(fā)明為一種預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)原子束冷卻效果的方法。該預(yù)準(zhǔn)直孔系結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)主預(yù)準(zhǔn)直孔和兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔，其中的兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔的尺寸相同并且對(duì)稱的分布于主預(yù)準(zhǔn)直孔的兩側(cè)，三個(gè)孔的中心位于同一直線上。在激光匯聚原子束沉積過程中，當(dāng)穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔的原子被沉積基片阻擋時(shí)，可通過監(jiān)測(cè)穿過兩側(cè)監(jiān)測(cè)孔的原子在熒光探測(cè)區(qū)產(chǎn)生的熒光斑點(diǎn)冷卻前后相對(duì)于原子束中軸的分布情況來間接的反映穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔原子束的冷卻效果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)，而且可以有效地監(jiān)測(cè)穿過主預(yù)準(zhǔn)直孔原子束的冷卻效果。文檔編號(hào)G01T7/00GK101303412SQ20081004020公開日2008年11月12日申請(qǐng)日期2008年7月4日優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日發(fā)明者張寶武,張文濤,李同保,艷馬申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)