CN107064826B - 一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，利用“腔共振短脉冲测量”方法和“MEMS磁聚集结构”来分别提高原子磁显微磁场的空间分辨率和磁场灵敏度，“腔共振短脉冲测量”方法是将原子气室放置于由脉冲抽运光组成的共振腔中，通过共振腔进行抽运光的放大，缩短脉冲抽运光的极化率建立时间。另外该方法中，磁场的空间变化会通过“磁场变化‑失谐‑极化率下降‑失谐增加”的机制非线性放大，从而大幅增加信号的对比度。“MEMS磁聚集结构”是利用MEMS工艺制备带有磁聚集结构的原子侧壁，在通过厌氧箱内的气氛注入和键合工艺制备出所需的原子气室。其目的是将位于原子气室表面的待测样品所产生的磁场导入气室内部，并通过磁聚集结构实现磁场的放大。

Description

一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法
技术领域
本发明涉及一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微技术，属于原子磁强计技术领域。
背景技术
磁显微是对磁场分布的精细测量。通过磁显微观测，可以对磁性蛋白的生长发育过程进行表征，也可以进行材料的微弱磁分布测量和集成电路非破坏诊断等。
在磁显微测量中，其主要的技术指标为空间分辨率和磁场灵敏度。常见的磁显微技术有氮空位色心(NV色心)、玻色爱因斯坦凝聚(BEC)、超导量子干涉技术(SQUID)以及原子磁强计技术(AM)。NV色心磁显微空间分辨率较高，不需要扫描，可以实现直接成像。BEC方法有可能突破量子极限，实现压缩态测量。SQUID技术空间分辨率和磁场灵敏度可调范围大，观测尺度从几十nm到mm量级，磁场灵敏度从几十nT/Hz1/2到pT/Hz1/2量级。但是BEC和SQUID都需要工作在低温环境下，这局限了它们的应用范围。AM技术目前具有最高的磁场灵敏度，但是传统的原子磁强计空间分辨率不高，无法应用于微米量级的测量。
针对这一问题，在发明专利201510761109.1中利用短脉冲光进行抽运和检测可以有效提高磁显微的分辨率。但是在后续的工作中发现短脉冲磁显微有以下两个问题：1、在短脉冲磁显微中，极化率建立时间在脉冲周期中占了较大比例；2、由于原子气室侧壁存在一定的厚度，导致待测样品和敏感原子之间存在一定距离，进而使样品磁场产生衰减，降低了磁场灵敏度。因此如何去解决短脉冲磁显微中极化率建立时间占脉冲周期较大比例，以及样品磁场的衰减这两个问题成为了获得高磁场空间分辨率和高磁场灵敏度磁显微的关键。
发明内容
本发明要解决技术问题为：1、在短脉冲磁显微中，极化率建立时间在脉冲周期中占了较大比例；2、由于原子气室侧壁存在一定的厚度，导致待测样品和敏感原子之间存在一定距离，进而使样品磁场产生衰减，降低了磁场灵敏度。本发明克服现有技术的不足，提供一种磁显微成像方法及装置及装置。通过“腔共振短脉冲测量”方法的设计和实验，得到提高原子磁测量空间分辨率的新方法。通过“MEMS磁聚集结构”原子气室的工艺设计和流片，实现样品磁场的聚集和放大，得到消除样品磁场气室侧壁衰减，提高磁场灵敏度的新方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，该方法利用的装置包括短脉冲激光器、光隔离器、准直透镜、宽带分光棱镜、格兰泰勒棱镜、四分之一波片、凹面反射镜、环形压电陶瓷、磁屏蔽桶、磁聚集原子气室、z方向磁场线圈、y方向磁场线圈和CCD探测器，该方法实现过程为：从短脉冲激光器发出的脉冲激光顺序经过光隔离器、准直透镜、宽带分光棱镜、格兰泰勒棱镜和四分之一波片变成圆偏振光进入磁屏蔽桶内，磁聚集原子气室放置于磁屏蔽桶的中心位置，在磁聚集原子气室的前端粘接凹面反射镜和环形压电陶瓷，凹面反射镜和磁聚集原子气室的气室内壁组成一个谐振腔，通过环形压电陶瓷可以精确调节谐振腔的腔长，在满足谐振的情况下，腔内光子数会快速增加，从而大幅缩短极化率建立时间，提高信号的对比度，磁场线圈用来产生y方向的磁场来提高信号，获得最大的信噪比，待测磁场通过磁聚集结构阵列将磁场导入到磁聚集原子气室内部，改变已被极化的碱金属原子的进动快慢和进动方向，进而改变激光横向截面的光强分布，最后通过CCD探测器来检测出激光光强的空间分布，从而计算出待测磁场的大小。
其中，所述圆偏振短脉冲光的波长为碱金属原子D1线跃迁频率相应波长，脉冲结束后，原子极化达到饱和，通过CCD探测器可以检测该极化率。
其中，所述凹面反射镜的凹面镀反射率>99％的高反膜，平面镀增透膜，凹面镀膜和平面镀膜的波长对应碱金属D1线波长。
其中，MEMS磁聚集原子气室主体采用SOI衬底和玻璃衬底键合完成，磁聚集结构阵列采用KOH腐蚀工艺和电镀工艺加工完成。
其中，MEMS磁聚集原子气室将成像聚焦在磁聚集结构的针尖上，之后，通过调整y方向磁场来提高信号，获得最大的信噪比，在此基础上，在屏蔽桶内施加z轴方向的静态平行磁场，通过该磁场的变化进行成像的观测和校准。
其中，磁场灵敏度标定采用掩埋单频校准信号的方法，通过测量信号的频谱分析和信噪比计算磁场灵敏度，空间分辨率采用两种方法进行标定，一种方法是施加梯度场，通过梯度场和图像的匹配进行空间分辨率测试；另一种方法是采用片上测试结构，通过溅射剥离工艺在气室表面加工不同距离的测试引线，通电产生磁场，然后采用瑞利判据进行空间分辨率的测试。
本发明的原理在于：针对第一个问题本发明采用腔共振磁显微方法。凹面反射镜1和磁聚集原子气室11的气室内壁构成了谐振腔，通过环形压电陶瓷9精确调整谐振腔的腔长，当激光波长和腔长满足公式(1)时，抽运激光就会在谐振腔内形成谐振，此时腔内光强会快速增加，其变化规律遵循公式(2)，从而大幅缩短极化率建立时间，提高信号的对比度。
公式(1)中λ是激光的波长，L是谐振腔的腔长。
公式(2)中Ivavity是腔内的光强，I0是原始光强，R是凹面镜反射率的平方，k是激光的波矢。
针对第二个问题本发明采用磁聚集原子气室磁显微方法。具体工艺步骤方案如下：
(1)采用KOH腐蚀得到四棱锥凹坑；
(2)然后溅射种子层Ti/Pt/Au并进行图形化；
(3)采用电镀的方法生长NiFe磁聚集结构；
(4)采用化学机械抛光获得平整的上表面；
(5)根据情况可再进行一次溅射剥离工艺加工出片上测试引线；
(6)进行背腔的腐蚀，SOI中掩埋的氧化层作为自停止层，腐蚀结束后再进行快速HF腐蚀，得到具有光学平整度的反射面，此时可根据情况再进行短时的HNF各项同性腐蚀，在保持反射面光学特性的情况下将磁聚集结构的针尖暴露1～2微米；
(7)进行划片，并采用厌氧操作箱和芯片级键合机进行Cs原子的充入和原子气室的键合密封。
通过这些步骤，完成“MEMS磁聚集结构”原子气室的工艺设计和流片，实现样品磁场的聚集和放大，得到消除样品磁场气室侧壁衰减，提高磁场灵敏度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过腔共振短脉冲测量方案，可以使短脉冲磁成像过程中极化率建立时间缩短、信号对比度增强。
(2)本发明采用的MEMS磁聚集结构原子气室方案，在消除信号衰减的同时，可以将磁信号进行聚集放大，从而保留原子磁测量高灵敏度的优势。
附图说明
图1为本发明测量方法的原理示意图；
图2为本发明MEMS磁聚集原子气室结构示意图；
图中附图标记含义为：1为凹面反射镜，2为四分之一波片，3为格兰泰勒棱镜，4为宽带分光棱镜，5为准直透镜，6为光隔离器，7为短脉冲激光器，8为CCD探测器，9为环形压电陶瓷，10为z方向磁场线圈，11为磁聚集原子气室，12为磁屏蔽桶，13为y方向磁场线圈，11-1为玻璃，11-2为硅，11-3为二氧化硅，11-4为磁聚集结构阵列，11-5为碱金属原子气室。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1和图2所示，一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，该方法利用的装置包括短脉冲激光器7、光隔离器6、准直透镜5、宽带分光棱镜4、格兰泰勒棱镜3、四分之一波片2、凹面反射镜1、环形压电陶瓷9、磁屏蔽桶12、磁聚集原子气室11、z方向磁场线圈10、y方向磁场线圈13和CCD探测器8，利用894.5nm波长的短脉冲激光器7，同时被用于碱金属铯原子抽运和检测，激光器脉冲功率为100W；脉冲激光依次通过光隔离器6、准直透镜5、宽带分光棱镜4、格兰泰勒棱镜3和四分之一波片2后进入磁屏蔽桶12内；在桶内依次通过凹面反射镜1、环形压电陶瓷9、磁聚集原子气室中的玻璃基底11-1和碱金属原子气室11-5，然后在气室内壁即硅层11-2与二氧化硅层11-3的交界面发生反射，再按照原路返回到宽带分光棱镜4后射入CCD探测器8内；磁屏蔽桶12包含3层坡莫合金，可以有效屏蔽掉外界的磁场；磁场线圈10用于产生z方向磁场，磁场线圈13用于产生y方向磁场；磁聚集结构阵列11-4与碱金属原子气室11-5构成磁聚集原子气室，并且在碱金属原子气室11-5内充铯蒸汽；CCD探测器8用来检测激光。
具体实施步骤如下：
首先用连续激光调试谐振腔使其达到共振，通过波形发生器给环形压电陶瓷9加一锯齿波信号，通过CCD探测器8能观察到到梳状谱。此后逐渐减小锯齿波信号的幅值，同时调整锯齿波信号的偏置，使得CCD探测器8探测到的出射激光位于梳状谱的顶端，此时激光的波长和谐振腔的腔长L满足公式(1)，并且谐振腔内的光子数达到最大值；
然后将待测样品放置在磁聚集结构阵列8上，此时利用短脉冲激光来抽运原子，通过CCD探测器8能够看到样品的极化率分布图。
最后通过数学模型计算得到磁场空间分布。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，该方法利用的装置包括短脉冲激光器(7)、光隔离器(6)、准直透镜(5)、宽带分光棱镜(4)、格兰泰勒棱镜(3)、四分之一波片(2)、凹面反射镜(1)、环形压电陶瓷(9)、磁屏蔽桶(12)、磁聚集原子气室(11)、z方向磁场线圈(10)、y方向磁场线圈(13)和CCD探测器(8)，其特征在于：该方法实现过程为：从短脉冲激光器(7)发出的脉冲激光顺序经过光隔离器(6)、准直透镜(5)、宽带分光棱镜(4)、格兰泰勒棱镜(3)和四分之一波片(2)变成圆偏振光进入磁屏蔽桶(12)内，磁聚集原子气室(11)放置于磁屏蔽桶(12)的中心位置，在磁聚集原子气室(11)的前端粘接凹面反射镜(1)和环形压电陶瓷(9)，凹面反射镜(1)和磁聚集原子气室(11)的气室内壁组成一个谐振腔，通过环形压电陶瓷(9)可以精确调节谐振腔的腔长，在满足谐振的情况下，腔内光子数会快速增加，从而大幅缩短极化率建立时间，提高信号的对比度，磁场线圈(13)用来产生y方向的磁场来提高信号，获得最大的信噪比，待测磁场通过磁聚集结构阵列(11-4)将磁场导入到磁聚集原子气室(11)内部，改变已被极化的碱金属原子的进动快慢和进动方向，进而改变激光横向截面的光强分布，最后通过CCD探测器(8)来检测出激光光强的空间分布，从而计算出待测磁场的大小。
2.根据权利要求1所述的基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，其特征在于：所述圆偏振短脉冲光的波长为碱金属原子D1线跃迁频率相应波长，脉冲结束后，原子极化达到饱和，通过CCD探测器可以检测该极化率。
3.根据权利要求1所述的基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，其特征在于：所述凹面反射镜(1)的凹面镀反射率>99％的高反膜，平面镀增透膜，凹面镀膜和平面镀膜的波长对应碱金属原子D1线波长。
4.根据权利要求1所述的基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，其特征在于：MEMS磁聚集原子气室(11)主体采用SOI衬底和玻璃衬底键合完成，磁聚集结构阵列(11-4)采用KOH腐蚀工艺和电镀工艺加工完成。
5.根据权利要求1所述的基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，其特征在于：MEMS磁聚集原子气室(11)将成像聚焦在磁聚集结构的针尖上，之后，通过调整y方向磁场来提高信号，获得最大的信噪比，在此基础上，在屏蔽桶内施加z轴方向的静态平行磁场，通过该磁场的变化进行成像的观测和校准。
6.根据权利要求1所述的基于腔共振和磁聚集结构的原子磁显微方法，其特征在于：磁场灵敏度标定采用掩埋单频校准信号的方法，通过测量信号的频谱分析和信噪比计算磁场灵敏度，空间分辨率采用两种方法进行标定，一种方法是施加梯度场，通过梯度场和图像的匹配进行空间分辨率测试；另一种方法是采用片上测试结构，通过溅射剥离工艺在气室表面加工不同距离的测试引线，通电产生磁场，然后采用瑞利判据进行空间分辨率的测试。
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