专利名称：一种光操纵原子制作纳米结构的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现纳米结构制作的方法及其装置，用完全非共振激光操纵原子实现纳米量级的聚焦来制作纳米结构。
背景技术：
原子光刻是原子光学在纳米加工技术领域的新应用，具有分辨力高、不受电荷影响、可并行制作等优点，引起人们的极大兴趣，目前有许多实验室在开展这方面的研究。然而用光场操纵原子沉积来制作纳米结构对实验条件的要求很高，迄今为止仅有碱金属原子、铬原子、铝原子和镱原子等少数原子被实现纳米量级聚焦的报道。采用近共振激光驻波场对某种原子实现聚焦，必须采用与该原子跃迁波长相对应的激光来对其进行操纵。
近几年，科研人员在实现波色—爱因斯坦凝聚体的过程中为了提高囚禁原子团的相空间密度，抑制原子的近共振吸收和自发辐射的影响，采用了大失谐的光势阱，此势阱在激光功率较大时深度可达几百uK，而在原子光刻实验中所用的光势阱深度仅比此深度大一个量级。这些数据给我们提供了一些很有价值的信息，那就是可以在完全非共振情况下用光操纵原子实现纳米量级的聚焦。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是克服上述技术的不足，提供一种用完全非共振光操纵原子实现纳米量级聚焦的方法及其装置，达到增加可操纵原子的种类、降低原子光刻实验难度的目的。
本发明的技术解决方案是光操纵原子制作纳米结构的方法，其特点在于用激光蒸发的方法产生原子束，用完全非共振激光操纵原子实现纳米量级的聚焦，具体包括下列步骤纳秒脉冲激光器发出的激光束经缩束后照在靶材料上，利用高能脉冲激光烧蚀金属靶材料产生脉冲原子束，烧蚀过程中既有中性原子，又有带电荷的粒子，带电荷的粒子在通过偏转电场时发生偏转，而中性原子不受影响，故可除掉带电荷的粒子。微秒脉冲激光器发出的光束经准直系统后垂直照在平面反射镜上，与反射光在重叠区域形成与原子束传播方向垂直的横向激光驻波场用于对原子进行聚焦；首先启动纳秒脉冲激光器产生脉冲原子束，等原子束快到达聚焦区域时启动微秒脉冲激光器，使脉冲原子束和激光驻波场能够相遇，原子束首先通过准直孔进行初步准直，接着在驻波场中与光场发生相互作用，最后沉积在基底上形成纳米图形。
光操纵原子制作纳米结构的装置，其特点在于包括真空室、微秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器、金属靶、激光缩束系统、偏转电场、平面反射镜和激光驻波场，纳秒脉冲激光器发出的激光束经缩束系统后照在金属靶上，利用高能纳秒脉冲激光烧蚀金属靶材料产生脉冲原子束，烧蚀过程中产生的带电荷的粒子可以通过加偏转电场来除掉；微秒脉冲激光器发出的脉冲光束经准直系统后垂直照在平面反射镜上，与反射光在重叠区域形成与原子束传播方向垂直的完全非共振激光驻波场用于对原子束进行聚焦，通过控制纳秒脉冲激光器和微秒脉冲激光器使脉冲原子束和激光驻波场能够相遇，原子束通过准直孔进行初步准直，接着在激光驻波场中与光场发生相互作用，最后沉积在基底上形成周期为光波长一半的纳米结构。
本发明的原理是用纳秒脉冲激光器发出的高能脉冲激光烧蚀金属靶材料产生脉冲原子束，采用微秒脉冲激光器发出的激光形成与脉冲原子束传播方向垂直的横向激光驻波场用于对原子进行聚焦，采用激光蒸发的方法产生脉冲原子束，利用完全非共振激光驻波场和原子相互作用产生的偶极力改变原子束的运动轨迹，使原子实现纳米量级的聚焦并沉积在基底上，形成周期性的纳米结构或人们所需的特定纳米图形。
本发明相比于现有技术有以下优点(1)本发明采用完全非共振激光场对原子进行操纵，增加了可操纵原子的种类，能够拓宽原子光刻技术的应用范围。
(2)本发明采用激光蒸发的方法产生原子束，可蒸发难熔金属材料，采用非接触式加热，热源置于真空室外，既减少了污染，又简化了真空室。
(3)原子束在进入激光驻波场之前穿过准直孔进行初步准直，不需要用激光偏振梯度场对原子束进行横向高度准直，降低了原子光刻的实验难度。
(4)采用脉冲激光器对原子进行操纵，降低了对激光器的选择要求。
本发明具有可操纵的原子种类多、可蒸发难熔金属材料、真空室污染轻、不需要对原子进行横向高度准直等优点，对于降低原子光刻的实验难度、拓宽原子光刻技术的应用范围具有重要意义。
图1为本发明的完全非共振光操纵原子制作纳米结构的装置示意图；图2为本发明的原子束在激光驻波场中的聚焦示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的包括真空室7、微秒脉冲激光器1、纳秒脉冲激光器4、金属靶8、激光缩束系统5、偏转电场10、平面反射镜12和激光驻波场3等，纳秒脉冲激光器4发出的激光束经缩束系统5后照在金属靶8上，利用高能纳秒脉冲激光6烧蚀金属靶8材料产生脉冲原子束9，烧蚀过程中产生的带电荷的粒子可以通过加偏转电场10来除掉。微秒脉冲激光器1发出的脉冲光束经准直系统2后垂直照在平面反射镜12上，与反射光在重叠区域形成与原子束传播方向垂直的横向激光驻波场3用于对原子束9进行聚焦。通过控制纳秒脉冲激光器4和微秒脉冲激光器1使脉冲原子束9和激光驻波场3能够相遇。原子束9通过准直孔11进行初步准直，接着在激光驻波场3中与光场发生相互作用，最后沉积在基底13上形成周期为光波长一半的纳米结构14。
上述的金属烧蚀金属靶8可为难熔金属，如Cu、W、Mo等。
在完全非共振情况下，可用本发明对没有经过横向高度准直的原子束实现纳米量级的聚焦，如现有的激光器能够满足光源要求，用激光烧蚀产生原子束的技术已比较成熟等。
权利要求
1.一种用光操纵原子制作纳米结构的方法，其特征在于采用激光蒸发的方法产生原子束，用完全非共振光操纵原子实现纳米量级的聚焦来制作纳米结构，具体包括下列步骤(1)采用纳秒脉冲激光器产生脉冲原子束，等原子束快到达聚焦区域时启动微秒脉冲激光器，使脉冲原子束和激光驻波场能够相遇；(2)原子束首先通过准直孔进行初步准直，接着在驻波场中与光场发生相互作用，最后沉积在基底上形成纳米图形。
2.根据权利要求1所述的一种用光操纵原子制作纳米结构的方法，其特征在于烧蚀过程中产生的带电荷的粒子可以通过加偏转电场来除掉。
3.一种用光操纵原子制作纳米结构的装置，其特征在于包括真空室(7)、微秒脉冲激光器(1)、纳秒脉冲激光器(4)、金属靶(8)、激光缩束系统(5)、偏转电场(10)、平面反射镜(12)和激光驻波场(3)，纳秒脉冲激光器(4)发出的激光束经缩束系统(5)后照在金属靶(8)上，利用高能纳秒脉冲激光(6)烧蚀金属靶(8)材料产生脉冲原子束(9)，微秒脉冲激光器(1)发出的脉冲光束经准直系统(2)后垂直照在平面反射镜(12)上，与反射光在重叠区域形成与原子束传播方向垂直的横向激光驻波场(3)用于对原子束(9)进行聚焦。通过控制纳秒脉冲激光器(4)和微秒脉冲激光器(1)使脉冲原子束(9)和激光驻波场(3)能够相遇；原子束(9)通过准直孔(11)进行初步准直，接着在激光驻波场(3)中与光场发生相互作用，最后沉积在基底(13)上形成周期为光波长一半的纳米结构(14)。
4.根据权利要求3所述的实现纳米结构制作的装置，其特征在于所述的金属靶可为难熔金属材料。
5.根据权利要求3所述的实现纳米结构制作的装置，其特征在于烧蚀过程中产生的带电荷的粒子可以通过加偏转电场(10)来除掉。
全文摘要
本发明涉及一种光操纵原子制作纳米结构的方法及其装置，用高能脉冲激光烧蚀金属靶材料产生原子束，采用微秒脉冲激光器发出的激光形成与原子束传播方向垂直的完全非共振激光驻波场用于对原子进行聚焦。制作纳米结构的装置由真空室、脉冲激光器、激光缩束系统、偏转电极等构成。本发明具有可操纵的原子种类多、可蒸发难熔金属材料、真空室污染轻、不需要对原子束进行横向高度准直等，可广泛应用于新型固态电子、光电子器件及半导体物理理论研究等方面。
文档编号B82B3/00GK1689960SQ20041000904
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月26日 优先权日2004年4月26日
发明者陈献忠, 姚汉民, 陈旭南 申请人:中国科学院光电技术研究所