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激光会聚Cr原子沉积纳米结构长度传递标准

2007-09-10 17:36
姚看江湖
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                     马艳  张宝武  郑春兰  马珊珊  王占山  李同保
(同济大学精密光学工程技术研究所,同济大学物理系,上海 200092)

摘要:本文介绍的内容是利用激光驻波场会聚Cr原子的方法研制纳米结构长度传递标准标准。得到纳米光栅条纹间距为215nm,条纹高度为0.2nm。
关键词:激光驻波场  纳米结构传递标准  激光冷却  激光会聚

1 引言
纳米测量在纳米科技中起着信息采集和分析的重要作用。在纳米尺度,长度标准显得特别重要,这是因为,在纳米计量中,由于受仪器工作原理、测量对象和环境因素影响,用不同仪器检测同一样品,或用同一仪器在不同环境下测量同一样品,结果可能截然不同。因此,传递标准和国际比对在纳米计量体系中具有特别重要的意义。但已知的宏观长度标准传递到纳米量级尺度会遇到很多困难,在传递过程中对于大尺度上不太重要的不确定度在纳米尺度上就会变得非常重要。因此,研制准确适用的纳米计量传递标准是纳米科技中的关键问题[1,2]。

利用激光会聚原子沉积技术是研制准确适用的纳米长度传递标准的一个新的技术路线。利用这种技术形成的纳米光栅结构周期性好,条纹均匀,空间上相干一致,具有条纹清晰,稳定,高分辨率等优势,而且不需要掩模板,可以大面积刻印,原子具有的较低能量减小了沉积过程对基片的损坏。

本文介绍利用激光驻波场会聚Cr原子的方法沉积纳米结构长度传递标准。文中首先介绍了激光会聚原子的基本工作原理。接着介绍了一种实验方案:把激光器的频率锁定在低于原子跃迁线共振频率-5MHz。在总光路上加声光调制器(AOM)。AOM的0级光用来冷却原子和探测荧光,AOM的+1级光用来会聚原子(+1级光与0级光差250MHz)。第三步介绍了利用原子力显微镜测量的实验结果,我们测得的条纹间距为215nm,条纹高度为0.2nm。最后,提出了几点改善目前结果的想法。

2 工作原理
 

                        图1 激光会聚原子的原理图

图1 表示了激光会聚原子的原理图[3]。经激光冷却后的原子进入激光驻波场后将受到偶极力的作用而改变原来的运动方向,并被会聚到驻波的波腹或波节处,进而沉积在基片表面形成纳米光栅结构。这种现象有点类似光学透镜的会聚作用,因此,激光驻波场又被叫做原子透镜。驻波场的激光频率可以是蓝失谐,也可以是红失谐。在红失谐情况下,原子将会聚在驻波场的波腹位置,在蓝失谐的情况下,原子将汇聚在驻波场波节位置。沉积纳米光栅结构的基片表面位于激光驻波场的中心位置,周期为λ/2。

3 实验装置及结果


                    图2 激光会聚Cr原子沉积纳米结构的实验装置图

图2 为激光会聚Cr原子的实验装置图。图中虚线方框内表示真空室。图中M1-851nm高透镜,WA-波长(用于监视激光器的频率),λ/2-半波片,PBS1、PBS2-偏振分束棱镜,M2、M4、M5、M6、M7、M8、M9-425nm(45度)高反镜,L1、L2-透镜,AOM-声光调制器,Cr炉-提供Cr原子源,PC-预准直孔(限制原子的发散角),SPD-Split-photodiode,DFA-差分放大器,ZL1、ZL2-柱面透镜,CCD-CCD摄像机(用于探测荧光),M3-425nm(0度)全反镜(用于反射冷却光束和会聚光束形成冷却区和驻波场),S-基片(用于沉积纳米光栅结构)。

Cr属于自保护型金属,与基片的粘附力大,在空气中结构稳定,同时52Cr在自然界中的丰度为84%,所以我们选用了52Cr作为沉积物质。在这个实验中我们选用Cr原子的跃迁线为 ,对应的共振波长为425.55nm(真空),自然线宽为Γ=5MHz。

如图2所示为提供这个波段的光源我们选用的激光器:利用LD泵浦532nm的内腔倍频激光器(Verdi-10,coherent),作为连续可调谐钛宝石激光器(MBR-110,coherent)的泵浦源。其中,Verdi-10的最大输出功率10W,实际工作中我们设定在8W,此时得到MBR-110的输出功率为1.25W,并且把它的输出波长调谐在851nm。然后把MBR-110的输出激光耦合到外腔倍频激光器(MBD-200,coherent)中产生425.55nm的激光输出,功率为200mW。

Cr原子源由图中的Cr炉提供,它是通过辐射加热输出孔径为1mm的坩埚产生的(德国CreaTec Fischer公司提供的型号为HTC-40-10商用高温 Cr原子蒸发炉),实验中采用的工作温度为1650°C。
   
Cr原子在与会聚驻波场相互作用之前,必须先进行横向激光冷却。这是因为驻波场势阱深度与Cr原子的横向热动能相比是一个非常小量,只有那些横向动能小于势阱深度的原子才能够被会聚。

为了得到好的冷却效果冷却束的频率需要设定在低于Cr( )共振频率5MHz的位置,而大的失谐量通常会得到好的沉积效果,实验中我们把会聚光的频率高于Cr( )共振频率250MZ。为了同时得到这两个频率的光,我们采用了以下方案。首先,利用激光感生荧光稳频技术把激光器的频率稳定在低于所需共振频率-5MHz的位置上(即冷却光束的频率上)[4]。从MBD-200输出的425nm的激光被半波片与PBS1分成两束,其中3mW光用于稳定激光器的频率,其余的被透镜L1=200mm聚焦后通过AOM。其中,AOM的0级光用来冷却原子和探测荧光(用于监视冷却效果),+1级光用来形成驻波场沉积纳米结构,+1级与0级光频率相差250MHz。冷却光的功率60mW,探测光1mW,会聚光40mW。开始不装基片,先通过调节激光频率把冷却效果调到最佳状态[4],并把激光器的频率锁定在此处,文中采用Doppler冷却机制在横向冷却Cr原子。第二步,装上基片,通过把基片与形成驻波场的反射镜M3装在一块直角棱镜的两个直角面上,使得基片与M3的垂直度为±0.1mrad。第三步,通过透镜L2=350mm把会聚光束的腰斑变成100μm左右,并使得腰斑位置位于M3的反射面上,并且使基片的表面位于会聚光斑的中心。会聚光束入射到M3上并且被M3原路返回,形成会聚原子的驻波场。由图可以看出冷却光与会聚光都经同一块反射镜M3反射,所以可保证冷却束与会聚光束的平行度不大于1mrad,并且可以保证驻波场与原子的垂直度<1mrad。

经过1个小时的沉积后,我们把样品从真空室中取出并用原子力显微镜(AFM)测量沉积结果。图3为利用韩国PSIA公司生产的XE-100型AFM 测量的激光会聚Cr的纳米结构沉积结果。图中可以看出比较明显的纳米结构Cr原子沉积线(沉积线的方向与横坐标平行).本图片总的测量范围为5×5μm。由AFM的测量结果得出两条纳米线之间的间距为215nm,线的高度为0.2nm。估计测量的纳米线的间距偏离理论值的原因可能是因为:(1)测的纳米线较粗,导致了测量误差;(2)测量仪器AFM本身的原因:用来校准AFM的标准样品本身的误差,这也是我们研制纳米光栅长度传递标准的主要原因。从图中可以看出整个图面颜色分布不太均匀,这表示AFM测量到了高度不同的点,颜色越深,点越低,我们怀疑这是由于Cr原子源的不均匀喷发造成的,在今后的工作中要采取有效措施加以改进。


图3 利用AFM测量的纳米结构光栅样品

4 结果分析及改进
为了在下一步的工作中得到好的实验结果,我们从理论上分析了实验中的几个关键参数对沉积效果的影响[5]。由理论分析的结果表明激光的失谐量、会聚激光的功率、原子的冷却效果、会聚激光束的腰斑半径、会聚光束中心位置与基片之间的距离都对沉积结果有很大的影响。因此,下面的工作中我们会根据理论计算的结果优化实验结果,得到具有清晰纳米光栅结构的样品。

5 结论
文中介绍了利用激光会聚原子的方法得到了纳米光栅结构长度标准的初步样品。文中得到的纳米样品的周期为215nm,线条高度为0.2nm。并根据理论计算的结果提出了对今后改进工作的设想。

参考文献
[1]  李同保上海计量测试 185 8(2005)
[2]  J. J. McClelland, W. R. Anderson, C. C. Bradley, M. Walkiewicz, R. J. Celotta, E .Jurdik, and R. D. DeslattesJabez    Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 108  99 (2003)
[3]  D Meschede H Metcalf  J.Phys.D: Appl.Phys. 36  R17(2003)
[4]  马艳 张宝武 郑春兰等 物理学报[已接受]]
[5]  马彬, 马艳,赵敏,马姗姗,王占山,,物理学报,55 667(2006)

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