专利名称：制作超微细图形的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种制作超微细图形的光学装置，属于一种新结构超微细图形制作设备。
现有技术中，通常采用包括光刻机、激光直写机等多台仪器，通过光刻、显影等过程，制作超微细图形。其缺陷在于需要使用多种装置，工艺流程复杂，而且不能直接制作出三维图形。
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种可以直接制作出超微细图形和三维图形的光学装置。
本发明的目的可以通过以下技术措施实现制作超微细图形的光学装置由光学控制系统、真空工作室和原子发生器等构成；光学控制系统包括激光器、反射镜、声光器件和透镜组等光学元件，激光器发出的激光经反射镜和第一声光器件分成二束，分出的第一激光束经第一反射镜、第二声光器件、第一透镜组和第一偏振器，进入真空工作室，并经第一1/4波片和第一反射镜反射，在真空工作室内形成准直光场；分出的第二激光束经第二透镜组、第二偏振器和第二1/4波片，进入真空工作室，经第二反射镜反射，在真空工作室内形成聚焦光场；真空工作室中的原子发生器发出的原子束经过原子束准直光场和聚焦光场，受其光力的作用和控制而产生超微细图形或三维图形。
本发明的目的也可通过以下技术措施实现制作超微细图形光学装置的真空工作室中，发出原子束的原子发生器的下方是孔栏，孔栏下方是准直光场和聚焦光场；经过准直光场的原子束的横向速度减为零形成的准直原子束，经过聚焦光场，在位于承片台的基片上堆积成所要求的图形。
本发明的目的还可通过以下技术措施实现制作超微细图形光学装置的聚焦光场可以是形成栅线图形的波浪状驻波梯度光场，也可以是形成点阵图形的点阵聚焦型梯度光场。
本发明相比于现有技术有以下优点本发明是将国际上最新研究成果光可控原子技术应用于制作超微细图形和三维图形。光可控原子技术是美国麻省理工大学和斯坦福大学的实验室利用磁场与激光场对中性原子进行冷却并固定的基础上开辟的新领域。国内北京大学等也成功进行了用多束激光对铯原子进行冷却和囚禁的研究，在实验室中形成了超冷和运动速度几乎为零的原子光学粘团。但至今还没有见到将光可控原子技术应用于制作微细图形的报导。本发明提供的光学装置是光可控原子技术在制作微细图形方面开辟的一个新的研究分支。
本发明通过制作超微细图形光学装置的光学控制系统形成激光光场，利用激光光场的光力作用于原子束，控制了原子束的横向速度，使之准直和聚焦；以及利用激光聚焦梯度场，控制原子束的偏转，使其在基片上堆积制作超微细图形和三维图形。由于本发明可直接利用激光场的光力控制金属元素原子束直接堆积出超微细图形，在制作图形的过程中不需任何掩模，也不需光刻显影等其它工艺流程，因此大大简化了超微细图形的制作工艺，节约了大量设备和仪器。并且该装置可直接制作利用现有设备和工艺不能直接制作出的三维图形。
本发明采用激光场的光力控制原子束的准直和聚焦，激光波长很短，聚焦点很小，因此制作的图形可达到超微细级，甚至达到纳米级。本装置还可成批地制作点和栅线，适合批量制作的需要。本发明可用于超微细三维图形、纳米材料、纳米级器件和量子器件的研究开发，用途广泛。
图1为制作超微细图形的光学装置的总结构图。
图2为驻波聚焦梯度光场的光力控制原子束聚焦原理图。
图3为点阵聚焦光场的光力控制原子束聚焦原理图。
图4为原子束堆积成的点阵图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明如图1所示，实施例中，制作超微细图形的光学装置由光学控制系统、真空工作室1和原子发生器2等构成。利用激光对中性原子进行冷却的原理，通过光学控制系统在真空工作室1中形成激光光场，控制真空工作室1中的原子发生器2产生的原子束3，使其准直、偏转、聚焦，堆积成所要求的超微细图形或三维图形。
如图1所示，光学控制系统由激光器和反射镜、声光器件、透镜组、偏振器、1/4波片等组成。
激光器4发出的激光经反射镜26反射后进入第一声光器件25，经第一声光器件25调谐并同时分成二束。被分出的第一激光束5经第一反射镜6二次反射后，通过第二声光器件7调谐，再经第一透镜组8扩束，以及第一偏振器9起偏，进入真空工作室1。第一激光束5经第一1/4波片11和第一反射镜12反射后形成第一反射激光束13。第一激光束5与第一反射激光束13在真空工作室1内形成原子束准直光场14。原子束3经过原子束准直光场14后成为准直原子束15。
由第一声光器件25分出的第二激光束24，经第二透镜组23、第二偏振器22、第二1/4波片21进入真空工作室1。第二激光束24经第二反射镜16反射形成第二反射激光束17。第二激光束24和第二反射激光束17形成原子束聚焦光场18。
真空工作室1中的原子发生器2的下方是孔栏10。孔栏10的下方是准直光场14和聚焦光场18。原子发生器2产生的原子束3经过孔栏10被挡去发散部分的原子后，向下射入光学控制系统形成的原子束准直光场14。在原子束准直光场14的光力作用下，原子的横向速度减为零，原子束3得到准直而形成只有垂直方向速度的准直原子束15。
准直原子束15继续向下运动，进入光学控制系统形成的聚焦光场18。聚焦光场18内有基片19。基片19位于承片台20之上。在聚焦光场18的光力作用和控制下，准直原子束15发生偏转，并聚焦于基片19上，堆积成所要求的超微细图形或者三维图形。
准直原子束15在基片19上堆积成的超细图形或三维图形与聚焦光场的形状有关。聚焦光场的形状则与第二激光束24和第二反射镜16之间的相对位置(夹角)有关。
由图2所示，第二反射镜16与激光束24垂直时，激光束24经第二反射镜16一次垂直反射，得到的第二反射激光束17与第二激光束24在基片19上形成的驻波聚焦梯度光场27的形状是波浪状的驻波。准直原子束15通过驻波聚焦梯度光场27时，原子向驻波陷阱偏转，并在基片19上面堆积成线状栅线图形28，线状栅线图形28的周期29为1/2激光波长。
由图3所示，第二反射镜16与第二激光束24的夹角32为60°时，第二激光束24经第二反射镜16多次反射，得到的第二反射激光束17与第二激光束24在基片19上形成点阵聚焦型梯度光场30。准直原子束15通过点阵聚焦型梯度光场30后，在基片19上面堆积形成如图4所示的点阵图形31。
权利要求
1.一种制作超微细图形的光学装置，由光学控制系统、真空工作室(1)和原子发生器(2)等构成，其特征在于光学控制系统包括激光器、反射镜、声光器件和透镜组等光学控制元件，激光器(4)发出的激光经反射镜(26)和第一声光器件(25)分成二束，分出的第一激光束(5)经第一反射镜(6)、第二声光器件(7)、第一透镜组(8)和第一偏振器(9)，进入真空工作室(1)，并经第一1/4波片(11)和第一反射镜(12)反射，在真空工作室(1)内形成原子束准直光场(14)；分出的第二激光束(24)经第二透镜组(23)、第二偏振器(22)和第二1/4波片(21)，进入真空工作室(1)，经第二反射镜(16)反射，在基片(19)上形成原子束聚焦光场(18)；真空工作室(1)中的原子发生器(2)发出的原子束(3)经过原子束准直光场(14)和原子束聚焦光场(18)，受其光力的作用和控制而产生超微细图形或三维图形。
2.根据权利要求1所述的制作超微细图形的光学装置，其特征在于在真空工作室(1)中，发出原子束(3)的原子发生器(2)的下方是孔栏(10)，孔栏(10)的下方是准直光场(14)和聚焦光场(18)，经过准直光场(14)的原子束(3)的横向速度减为零后形成的准直原子束(15)，经过聚焦光场(18)，在位于基片台(20)的基片(19)上堆积成所要求的图形。
3.根据权利要求1或2所述的制作超微细图形的光学装置，其特征在于聚焦光场(18)可以是形成栅线图形(28)的波浪状驻波梯度光场(27)，也可以是形成点阵图形(31)的点阵聚焦型梯度光场(30)。
全文摘要
本发明是一种利用光力制作超微细图形光学装置,由激光器、反射镜、声光器件、透镜组等组成的光学控制系统、原子束发生器以及真空工作室等构成。它利用光学控制系统形成的激光场对原子的作用力,使原子束准直和聚焦,直接在基底上成批量制作出点线图形,具有不需要掩模、光刻设备,避免了光刻显影刻蚀等工艺流程的特点,可广泛应用于包含纳米图形的超微细三维图形、纳米材料、纳米器件和量子器件等研究开发。
文档编号G02B27/22GK1385735SQ0110843
公开日2002年12月18日 申请日期2001年5月16日 优先权日2001年5月16日
发明者罗先刚, 姚汉民, 陈旭南, 李展, 陈献忠 申请人:中国科学院光电技术研究所