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研制准确适用的纳米计量传递标准是当前纳米技术领域所急需解决的问题和研究重点。利用激光驻波场汇聚原子实现纳米条纹制作的方法,即原子光刻技术,是一种新型的制作纳米结构长度传递标准技术,它在纳米结构制作领域内所体现出来的优势是其他传统光学制作方法所不能比拟的。原子光刻技术的基本原理就是利用激光驻波场与原子之间的相互作用,使原子束在空间形成特定的分布,继而沉积在基板上,形成纳米尺度的条纹结构。条纹的平均间距是原子共振线波长的一半,而任何一种原子的共振线的数值是极其精确的,故此该种方法是一种制作高品质长度测量和传递标准的技术。原子光刻技术基于激光场与原子相互作用的两种力:即耗散力与偶极力,本文主要分析了铬原子与激光场的这两种基本作用力,分别指出了耗散力与偶极力的基本特性,并对在两种力作用下铬原子的分布和沉积特性给出了相关的模拟计算。
本文完成的工作和主要创新之处可概括如下:
(1)分析了激光场对铬原子作用的耗散力,在此基础上通过数值模拟,探讨了多普勒冷却力的特性。验证了在原子速度较小的范围内利用激光冷却场能够实现对原子横向速度的冷却,在此基础上系统的对铬原子在不同激光功率和激光失谐量条件下的分布状态进行了分析和探讨。
(2)讨论了激光驻波场条件下铬原子所受偶极力特性,对铬原子的势能特性进行了模拟计算。通过详细的分析和计算发现在激光驻波场中原子能够在周期性势阱的作用下形成特定的规则分布,并且该激光势阱与激光场的强度及失谐量等因素有关。在此基础上建立了偶极力作用下铬原子运动轨迹的计算模型,并利用四阶Runge-Kutta算法获得了不同条件下单原子的运动轨迹,给出了选择激光场功率的依据条件。
(3)基于半经典理论系统的讨论了激光驻波场的球差、色差以及原子束的发散、基片位置、激光功率和束腰半径对铬原子在激光驻波场作用下的沉积所造成的影响进行了模拟计算。并进一步通过数值计算得到了在不同影响条件下,最终沉积条纹的半高宽和对比度大小,指出了实现条纹细化的方向。