基片表面的傾斜度對光學(xué)勢阱的影響

張寶武，支理想，王道檔，2

（1.中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018；2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

基片表面的傾斜度對光學(xué)勢阱的影響

張寶武1，支理想1，王道檔1，2

（1.中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州310018；2.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

為了研究原子光刻實(shí)驗(yàn)中基片對匯聚激光場的影響，基于幾何光學(xué)，采用數(shù)值仿真的方法，研究了基片表面的傾斜度對光學(xué)勢阱的影響。結(jié)果表明，當(dāng)基片表面相對于激光駐波中軸線正傾斜時(shí)，基片表面會形成一個(gè)無光場區(qū)，使光學(xué)勢阱為0，且在z方向上光學(xué)勢阱會發(fā)生一個(gè)零值突變；當(dāng)基片表面相對于駐波中軸線負(fù)傾斜時(shí)，基片表面永遠(yuǎn)存在光場，在z方向上光學(xué)勢阱不會發(fā)生零值突變，且光學(xué)勢阱相對于z＝0會出現(xiàn)對稱現(xiàn)象。該研究結(jié)果對激光匯聚原子沉積實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

激光技術(shù)；激光駐波場；高斯激光；傾斜度

引 言

由于原子躍遷頻率一般不受外界環(huán)境的影響，并且能夠被準(zhǔn)確地測量，由它支撐的原子頻標(biāo)為人類提供了十分穩(wěn)定準(zhǔn)確的秒長，為精密校頻等物理學(xué)的測量、人造衛(wèi)星的發(fā)射、運(yùn)動目標(biāo)的精密定位、快速數(shù)字通信等領(lǐng)域提供了穩(wěn)定度高、均勻性好的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)［1］。

激光匯聚原子沉積技術(shù)利用激光和原子之間的共振作用制作納米結(jié)構(gòu)，為納米尺度結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的研制提供了一種新的方法［2-3］。至今它已經(jīng)在鈉、鉻、鋁、鐵和鐿等原子上成功實(shí)現(xiàn)了1維納米光柵結(jié)構(gòu)的制作。實(shí)驗(yàn)中，單頻激光通過主動穩(wěn)頻方式被鎖定在相應(yīng)原子共振躍遷頻率附近（一般藍(lán)失諧幾百兆赫茲之內(nèi)），形成穩(wěn)定的駐波場。在合適的激光強(qiáng)度和頻率失諧情況下，每個(gè)激光駐波波節(jié)就會呈現(xiàn)透鏡的功能，當(dāng)準(zhǔn)直原子束穿過它的時(shí)候就會在此匯聚［4-6］。如果在激光束下邊平行激光駐波中軸線放置一塊基片，則匯聚的原子就會在基片沉積上形成一系列的條紋［7-12］。經(jīng)研究，相鄰沉積條紋之間的平均距離在10－5量級上很好地復(fù)現(xiàn)了激光駐波場周期［2］。由于激光頻率通過穩(wěn)頻鎖定在原子共振線上，而基片表面又平行激光中軸線，這樣獲得的1維納米光柵結(jié)構(gòu)也就能直接溯源于原子頻率。由此可見，駐波中軸線和基片表面平行度是決定相鄰條紋間距復(fù)現(xiàn)駐波周期準(zhǔn)確度的重要因素。為此，作者通過數(shù)值計(jì)算，在幾何光學(xué)框架內(nèi)仿真研究了這種平行度對光學(xué)勢阱的影響，同時(shí)將其和準(zhǔn)直激光束情況下的結(jié)果進(jìn)行比較。

1 理論分析

理論仿真所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中準(zhǔn)直鉻原子束沿著z軸方向自上而下傳播，匯聚激光束沿著x軸自左向右傳播。激光垂直入射到反射鏡上，然后被原路反射和其自身疊加，構(gòu)成匯聚駐波場。為了仿真方便，假設(shè)入射激光的束腰嚴(yán)格位于反射鏡的鏡面上，并且入射激光的中軸線嚴(yán)格垂直于反射鏡表面。這樣的結(jié)果就是入射激光和其自身的反射激光會完全重合，激光中軸線和基片沉積表面之間的夾角α也就不會包含在光學(xué)勢阱表達(dá)式中，只是在程序編寫過程中設(shè)置一個(gè)傾角參量就行。另外，參量x0表示基片表面x軸上某一個(gè)特定的垂軸截面的坐標(biāo)。

Fig.1 Relative position of laser，substrate and reflectingmirror

入射高斯激光在傳播途中任一點(diǎn)P的復(fù)振幅~E1表示為［13］：

式中，x，y和z為直角坐標(biāo)；E0為激光中軸線上的振幅；w（x）為x位置處激光束的截面半徑；R（x）為x位置處激光波面曲率半徑，k為激光波數(shù)。

理想情況下，激光束被假設(shè)成準(zhǔn)直激光以后，則它在傳播過程中將保持束腰大小不變，也就是說（1）式改寫成：

式中，w0為激光束腰半徑。

與（1）式和（2）式相對應(yīng)的反射激光可以認(rèn)為是入射激光經(jīng)過反射鏡的鏡像加上半波損失獲得的，記為~E2，則兩者疊加形成的光強(qiáng)表達(dá)式為：

式中，*表示復(fù)共軛。

將（3）式代入到光學(xué)勢阱表達(dá)式［14］中可得：

式中，h—為除以2π的普朗克常數(shù)，Δ為激光頻率失諧量，Γ是原子躍遷的自然線寬，I表示強(qiáng)度，Is為原子躍遷的飽和強(qiáng)度。

2 仿真結(jié)果和討論

在利用（4）式進(jìn)行數(shù)值仿真的過程中用到的參量如下：與52Cr原子共振躍遷7S3→7P40對應(yīng)的激光波長為λ＝425.55nm，躍遷譜線的自然線寬Γ＝2π·5MHz，飽和光強(qiáng)Is＝85W／m2，激光失諧量Δ＝2π·250MHz。另外，激光束腰為w0＝0.1mm，入射激光功率為P0＝3.93mW。仿真過程中，直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)置在基片表面、駐波中軸線和反射鏡表面三者相交處，x軸的原點(diǎn)設(shè)在反射鏡處，z軸的原點(diǎn)設(shè)置在基片沉積表面。激光中軸線位于z＝0的平面內(nèi)且重合與x軸?；趚方向上的展寬幅度為10mm。另外，x方向上任何位置x0處的仿真范圍為大于x0絕對值的第1個(gè)波長，即x∈［x0，

x0＋λ］，α角的仿真范圍為［－2，2］mrad（記順時(shí)針為正），z方向上的仿真范圍為大于x0絕對值的第1個(gè)駐波波節(jié)位置處z∈［－1.5w0，－x0α］。

首先仿真了特定位置x0處基片表面駐波光學(xué)勢阱隨傾角的變化情況，如圖2所示，其中，同時(shí)給出了準(zhǔn)直高斯激光（仿真圖中用“collimated laser”表示）相同條件下光學(xué)勢阱隨傾角的變化。從圖2中可以看出，在波節(jié)位置處，準(zhǔn)直高斯激光會給出零值的光學(xué)勢阱，并且不會隨著傾角的變化而變化。而非準(zhǔn)直高斯激光光學(xué)勢阱不但不會呈現(xiàn)零值，而且隨著傾角的不同而不同。當(dāng)傾角為正值時(shí)，基片相對于駐波中軸線的位置如圖3a所示。這樣，在光線直線傳播框架內(nèi)，當(dāng)入射激光被基片阻擋后，基片表面之上和激光場之間的區(qū)域內(nèi)將不存在光場。因此基片表面的光學(xué)勢阱必為0。當(dāng)傾角為負(fù)值時(shí)，基片表面相對于駐波中軸線的位置如圖3b所示。這樣，激光束會沿著基片表面傾斜傳播。因此，整個(gè)基片表面將被光場覆蓋。此時(shí)，在特定傾角下，隨著x0絕對值的增大，基片表面光學(xué)勢阱值隨之增大（見圖2的內(nèi)插圖）。這個(gè)波節(jié)處非零值光學(xué)勢阱的出現(xiàn)緣自于非準(zhǔn)直高斯激光的非平面波前。

Fig.2 Relationship between optical potential and slope angle at fixed x0position

Fig.3 Relative position of substrate surface to laser standing wave axis at different slope angle

考察α＝±2mrad兩種情況下，x0＝0mm處駐波光學(xué)勢阱在基片表面x方向上和垂直于基片表面z方向上的變化，如圖4所示，其中，同時(shí)給出了準(zhǔn)直高斯激光（仿真圖中用“collimated laser”表示）相同條件下光學(xué)勢阱的變化。圖4a為傾角α＝－2mrad時(shí)x方向上光學(xué)勢阱的變化，圖4b和圖4c為不同傾角下z方向的變化。鑒于圖2的結(jié)論，即當(dāng)α＝2mrad時(shí)，基片表面光學(xué)勢阱為0，這里就不再單獨(dú)給出此時(shí)光學(xué)勢阱在基片表面x方向上的變化曲線。

Fig.4 Variations of optical potential at fixed slope angle a—x direction b，c—z direction

圖4a顯示，高斯激光準(zhǔn)直與否兩種情況下，光學(xué)勢阱在x方向上雖然其駐波形式的變化趨勢不隨x0的變化而變化，但是最大值都隨x0值的變化而變化：在α＝－2mrad時(shí)，任何x0值處基片表面光學(xué)勢阱的最大值隨x0絕對值的增大而減小。仔細(xì)對比準(zhǔn)直與否兩種情況發(fā)現(xiàn)：除x0＝0位置處，其它每個(gè)x0位置上非準(zhǔn)直高斯激光的最大值都略小于準(zhǔn)直高斯激光。圖4b和圖4c顯示，不管傾角大小如何，高斯激光準(zhǔn)直被準(zhǔn)直處理以后，光學(xué)勢阱在相應(yīng)駐波的波節(jié)處沿z方向上的變化都不隨x0值的變化而變化，永遠(yuǎn)保持零值不變。而非準(zhǔn)直光學(xué)勢阱在不同傾角情況下沿z方向的變化比較復(fù)雜一些。不管傾角方向如何，不同x0位置處，光學(xué)勢阱在z方向上的變化都呈現(xiàn)一種類似于麥?zhǔn)纤俾史植嫉那€，不同之處在于不同的傾角方向給出的曲線尾部趨零方式不同。當(dāng)α＝2mrad時(shí)，所有曲線都在z＝－0.2w0位置處突變?yōu)?（見圖4b的內(nèi)插圖）。這可以從圖3a的幾何結(jié)構(gòu)推算出來：基片表面沿x方向的寬度為10mm，傾角α＝2mrad的情況下z方向形成的陰影距離將是0.2w0。在α＝－2mrad情況下，光學(xué)勢阱隨z的變化曲線永遠(yuǎn)是平滑變化的，并且相對于z＝0會出現(xiàn)對稱現(xiàn)象（見圖4c的內(nèi)插圖），這可以從圖3b中的幾何結(jié)構(gòu)得到解釋，即在這種情況下，激光中軸線對稱位置處都會有光場存在，并且是z絕對值相同的點(diǎn)，其光學(xué)勢阱也必然相等。

3 結(jié) 論

針對激光匯聚鉻原子沉積實(shí)驗(yàn)，研究了駐波中軸線與基片表面的平行性對光學(xué)勢阱的影響。研究過程將入射激光準(zhǔn)直與否兩種情況下的光學(xué)勢阱變化進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)基片表面相對于駐波中軸線傾斜方向不同時(shí)，基片表面光學(xué)勢阱大小不同。本文中的研究現(xiàn)在僅限于光的直線傳播，沒有考慮基片對匯聚激光場的衍射，筆者日后將對此進(jìn)行補(bǔ)充研究。

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Effect of substrate surface slope on optical potential

ZHANG Baowu1，ZHILixiang1，WANG Daodang1，2
（1.College of Metrology＆Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China；2.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to study effect of substrate on the focusing laser field in atom lithograph，based on geometrical optics and numerical simulation，effects of substrate surface slope on optical potential were studied.The results indicate thatwhen the substrate surface has positive slope related to the laser standing wave axis，there is an area without light illumination on the surface whose optical potential is zero，and the curve of optical potential in z direction will suddenly vanish；when the substrate surface has negative slope related to the laser standing wave axis，all the surface will be illuminated by the laser and the curve of optical potential in z direction will vary smoothly to zero，and the optical potential will be symmetric related to z＝0.The results are useful for the experiment of laser-focusing atom deposition.

laser technique；laser standing wave field；Gaussian laser；slope

O43

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.021

1001-3806（2014）03-0380-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11064002）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LQ13F050002）；廣西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012gxnsfaa53229；2013GXNSFDA019 002）；天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目；廣西省自動檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（YQ14206）

張寶武（1978-），男，博士，講師，研究方向?yàn)樵庸饪碳夹g(shù)。

E-mail：zhangbaowu1978＠gmail.com

2013-07-01；

2013-09-02