CN103116212A - 一种原子束二维冷却光学棱镜架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维冷却光学棱镜架，包括：五棱镜，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，所述三个反射镜分别粘合在五棱镜上且反射面延伸出同侧棱镜外，粘合面为五棱镜使用中光线反射的两个面，以及光线透射的两个面中任意一个面。该原子束二维冷却光学棱镜架具有以下优点：1.能实现原子束的二维冷却准直，为二维原子光刻提供了高准直性的原子源；2.保证了与现有实验装置的兼容性和高度的集成性，无需对真空室进行改造，节约了成本；3.具有扩展性，可为二维原子光刻提供一种实现手段。

Description

一种原子束二维冷却光学棱镜架

技术领域

本发明属于原子光刻技术领域，涉及一种光学棱镜架，可实现对原子束的横向二维冷却准直。

背景技术

在原子光刻领域中，二维原子光刻的实现需要对原子束进行二维冷却准直，使用二维激光冷却技术可实现原子束的二维冷却准直，激光冷却技术利用了辐射场与物质相互作用的动力学效应，具有压缩发散角，不减少原子束通量的优点。

目前，二维激光冷却技术的实现主要有以下两种背景技术：一是在真空室的水平方向和竖直方向上分别开窗口，从外部引入两对互相垂直的冷却激光束；二是在真空室内加入圆锥形棱镜，激光束在圆锥面上反射，形成多角度的冷却激光束。第一种方法的缺点在于需要对原有的实验装置作较大改动，增加了开销；第二种方法的缺点在于激光的入射方向与原子束方向相同，不利于原子光刻后续的沉积实验，并且圆锥棱镜制备的技术难度大。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种原子束二维冷却光学棱镜架，不仅能实现原子光刻中对原子束的二维冷却准直，而且能为二维原子光刻提供一种实现手段。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种二维冷却光学棱镜架，包括：五棱镜，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，所述三个反射镜分别粘合在五棱镜上且反射面延伸出同侧棱镜外，粘合面为五棱镜使用中光线反射的两个面，以及光线透射的两个面中任意一个面。

进一步，所述五棱镜的中部开设有圆孔以便完全通过原子束，圆孔的大小可根据具体情况留有适当余量。

所述五棱镜与三个反射镜之间是以紫外胶粘合，粘合面为三级抛光；和/或，所述五棱镜与三个反射镜之间使用真空热胶合并在边缘使用紫外胶固定，粘合面为三级抛光。

所述五棱镜的角度公差在10秒以内以保证激光冷却时光束夹角可调至小于1mrad。

所述三个反射镜镀高反膜，反射率大于97%。

所述三个反射镜的尺寸相同，其宽度大于五棱镜的宽度，保证冷却光完全在空气介质中传播，并完全被反射镜反射，形成二维光学黏团；所述五棱镜的宽度指五棱镜两个平行侧面的距离。

所述三个反射镜的宽度与五棱镜的宽度的差值为30mm以上。

所述反射面延伸出同侧棱镜外30mm，和/或，所述圆孔的直径为12mm；和/或，所述五棱镜以及三个反射镜的材料均为石英。

设五棱镜的宽度为c圆孔的中心与第三粘合面的距离为c/2，其投影位于第三粘合面的中心；和/或，

第一粘合面与第三粘合面的夹角为112.5度±5秒，第二粘合面与第一粘合面的夹角为45度±5秒，五棱镜的所有角度公差在10秒以内；反射镜尺寸e比五棱镜尺寸d大30mm±0.1mm，和/或，反射镜与五棱镜相交的相粘合的部分所在的平面镀高反膜；和/或，所述三个粘合面均为三级抛光。

本发明采用五棱镜作为架构，大大地方便了角度和面型的检测，很好的保证了实验的精度。另外，采用三个反射镜直接胶合于棱镜上，且反射面延伸出棱镜外，使得冷却准直激光束经过3个反射镜反射后，最终沿入射光路径反方向出射，并在反射镜之间的自由空间中形成互相垂直的对射光束。根据公知的原理，两对垂直光束即为二维光学黏团，原子束经过黏团时，由于受到辐射压力作用，横向速度减小，发散角被压缩，实现二维冷却准直。因此本发明提供的装置可直接在一维准直实验的装置基础上实现二维准直。

本发明的有益效果包括：1.能实现原子束的二维冷却准直，为二维原子光刻提供了高准直性的原子源；2.保证了与现有实验装置的兼容性和高度的集成性，无需对真空室进行改造，节约了成本；3.具有扩展性，可为二维原子光刻提供一种实现手段。

附图说明

图1a为本发明实施例原子束二维冷却光学棱镜架的立体结构示意图。

图1b为图1所示实施例的前视图。

图1c为为图1所示实施例的左视图。

图中1.反射镜，2.反射镜，3.反射镜，4.五棱镜，I.第一反射镜胶合面，II.第二反射镜胶合面，III.第三反射镜胶合面。

图2a、2b为本发明应用时，二维冷却对原子束的准直结果：CCD相机拍摄到的荧光图，其中，图2a为冷却后的荧光图像，图2b为未冷却时的荧光图像。

图3a、3b为荧光图像x方向上的强度轮廓曲线图，其中：图3a为冷却后的荧光强度轮廓图，图3b为未冷却时的荧光强度轮廓图。点曲线是图像轮廓，实线是点曲线的拟合。

图4a、4b为荧光图像y方向上的强度轮廓曲线图，其中：图4a为冷却后的荧光强度轮廓，图4b为未冷却时的荧光强度轮廓。点曲线是图像轮廓，实线是点曲线的拟合。

具体实施方式

本发明的组成包括一个五棱镜以及三个反射镜，材料均为石英，五棱镜的角度公差保证在10秒以内，五棱镜的中部挖出直径为12毫米的圆孔，以利于原子束通过，反射镜镀高反膜保证反射率97%以上。

本发明以五棱镜作为基础架构，用紫外胶将反射镜镀高反膜的一面胶合在五棱镜的三个特定的面上，这三个特定的面是五棱镜的传统应用中光线反射的两个面与光线透射的一个面。

胶合时反射镜延伸出五棱镜，延伸长度为30mm，延伸部分处于同侧。使得激光束完全在空气介质中传播，减少损耗和干扰，这一激光束用于冷却原子束，称为冷却光，冷却光入射之后，经过三个反射镜反射，最终沿入射光路径反方向出射，并在反射镜之间的空间中形成垂直光束。这两对垂直光束即为二维光学黏团，原子束经过黏团时，由于受到辐射压力作用，横向速度减小，发散角被压缩，实现二维冷却准直。

图1为本发明的一个具体实施例，五棱镜4的中部挖出圆孔5，以便于原子束通过，设五棱镜的宽度为c，圆孔的中心与第三面III的距离为c/2，其投影位于第三面III的中心。第一粘合面I与第三粘合面III的夹角为112.5度±5秒，第二粘合面II与第一粘合面I的夹角为45度±5秒，所有角度公差保证在10秒以内。将第一反射镜1，第二反射镜2和第三反射镜3分别与五棱镜4用紫外胶粘合在第一粘合面I、第二粘合面II和第三粘合面III上，反射镜的宽度尺寸e比五棱镜的宽度尺寸d大30mm±0.1mm，反射镜与五棱镜相交的相粘合的部分所在的平面镀高反膜保证反射率97%以上。所述三个粘合面I、II和III均为三级抛光。

原子束二维冷却光学棱镜架的实验方法为：首先按照业内公知的一维冷却准直原子束的方法，完成对原子束的一维冷却准直；然后在实验装置内加入本发明，使冷却光经棱镜架的反射镜反射后沿原路返回，并保证原子束通过棱镜圆孔的中心；最后微调冷却光方向，得到最好的冷却效果。本发明的应用使得二维冷却准直可在公知的一维冷却准直实验装置中直接实现。

本发明的原理为：负失谐的激光束经图1中的反射面I、II和III反射后形成二维光学黏团，原子束经过二维光学黏团时，由于受到辐射压力作用，横向速度分量减小，发散角被压缩，从而实现了二维冷却准直。所受的辐射压力F可表示为

其中，e_x和e_y分别是x和y方向上的单位向量，

是普朗克常量，k是波矢量，而

${\mathrm{\γ}}_{\±}=\frac{1}{2}{s}_0\mathrm{\Γ}{[1+s_0+4{\left(\mathrm{\δ}\stackrel{-}{+}{\mathrm{\ω}}_D\right)}^2{\mathrm{\Γ}}^{-2}]}^{-1}---\left(2\right)$

其中，s₀是饱和因子，δ是激光失谐量，ω_D是多普勒频移，是原子的自然线宽。发散角是原子束的二维冷却准直效果的重要评判标准，其测量方法是采用荧光检测法，即使用水平和竖直两束探测光诱导原子束产生荧光，通过高精度CCD拍摄荧光图像，测量荧光图像的宽度x，可计算出发散角α为

α＝(x-D)/L          (3)

其中，D为预准直孔的宽度，L为预准直孔到探测光的距离。最后通过对比使用本发明前后的发散角，即可对本发明的效果进行评估。

本发明实施例应用于原子光刻实验的步骤如下：首先，进行原子束的一维冷却准直，保证冷却光与原子束正交。然后加入本发明实施例，调节其位置和角度使冷却光经实施例反射后沿入射光路径反方向出射，并且原子束通过圆孔中心。图2-4为本发明实施例的实验结果，并给出了实验结果的处理方法，从而计算出发散角。

图2为CCD拍摄的荧光图像，图中的水平荧光块是由水平探测光诱导产生的，竖直荧光块是由竖直探测光诱导产生的。图2（a）是应用本发明实施例之后的荧光图像，图2（b）是未应用本发明时的荧光图像。从图中可以看出应用本发明前后，荧光宽度减小，亮度增加，说明发散角减小，原子束得到较好的准直。

图3为x方向上的荧光强度曲线，图中的点轮廓是由图2中对应的水平荧光块的中线上的灰度值得到的，实线是点轮廓的多项式拟合。在本例中x通过曲线的半高宽求得，D=2mm，L=1000mm，通过公式（3）可计算得水平方向上发散角由5.86mrad冷却为2.61mrad。

图4为y方向上的荧光强度曲线，图中的点轮廓是由图2中对应的竖直荧光块的中线上的灰度值得到的，实线是点轮廓的多项式拟合。与图3中同样的方法可计算得竖直方向上发散角由5.76mrad冷却为3.17mrad。

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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二维冷却光学棱镜架，其特征在于：包括：五棱镜，第一反射镜，第二反射镜，第三反射镜，所述三个反射镜分别粘合在五棱镜上且反射面延伸出同侧棱镜外，粘合面为五棱镜使用中光线反射的两个面，以及光线透射的两个面中任意一个面。

2.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述五棱镜的中部开设有圆孔以便完全通过原子束。

3.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述五棱镜与三个反射镜之间是以紫外胶粘合，粘合面为三级抛光；和/或，所述五棱镜与三个反射镜之间使用真空热胶合并在边缘使用紫外胶固定，粘合面为三级抛光。

4.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述五棱镜的角度公差在10秒以内以保证激光冷却时光束夹角可调至小于1mrad。

5.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述三个反射镜镀高反膜，反射率大于97%。

6.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述三个反射镜的尺寸相同，其宽度大于五棱镜的宽度，保证冷却光完全在空气介质中传播，并完全被反射镜反射，形成二维光学黏团；所述五棱镜的宽度指五棱镜两个平行侧面的距离。

7.根据权利要求7所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述三个反射镜的宽度与五棱镜的宽度的差值为30mm以上。

8.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：所述反射面延伸出同侧棱镜外30mm，和/或，所述圆孔的直径为12mm；和/或，所述五棱镜以及三个反射镜的材料均为石英。

9.根据权利要求1所述的二维冷却光学棱镜架，其特征在于：设五棱镜的宽度为c，圆孔的中心与第三粘合面的距离为c/2，其投影位于第三粘合面的中心；和/或，

第一粘合面与第三粘合面的夹角为112.5度±5秒，第二粘合面与第一粘合面的夹角为45度±5秒，五棱镜的所有角度公差在10秒以内；反射镜尺寸e比五棱镜尺寸d大30mm±0.1mm，和/或，反射镜与五棱镜相交的相粘合的部分所在的平面镀高反膜；和/或，

所述三个粘合面均为三级抛光。

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