專利名稱：制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置，屬于一種新結(jié)構(gòu)超微細(xì)圖形制作設(shè)備。
現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用包括光刻機(jī)、激光直寫機(jī)等多臺(tái)儀器，通過光刻、顯影等過程，制作超微細(xì)圖形。其缺陷在于需要使用多種裝置，工藝流程復(fù)雜，而且不能直接制作出三維圖形。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種可以直接制作出超微細(xì)圖形和三維圖形的光學(xué)裝置。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置由光學(xué)控制系統(tǒng)、真空工作室和原子發(fā)生器等構(gòu)成；光學(xué)控制系統(tǒng)包括激光器、反射鏡、聲光器件和透鏡組等光學(xué)元件，激光器發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡和第一聲光器件分成二束，分出的第一激光束經(jīng)第一反射鏡、第二聲光器件、第一透鏡組和第一偏振器，進(jìn)入真空工作室，并經(jīng)第一1/4波片和第一反射鏡反射，在真空工作室內(nèi)形成準(zhǔn)直光場(chǎng)；分出的第二激光束經(jīng)第二透鏡組、第二偏振器和第二1/4波片，進(jìn)入真空工作室，經(jīng)第二反射鏡反射，在真空工作室內(nèi)形成聚焦光場(chǎng)；真空工作室中的原子發(fā)生器發(fā)出的原子束經(jīng)過原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)和聚焦光場(chǎng)，受其光力的作用和控制而產(chǎn)生超微細(xì)圖形或三維圖形。
本發(fā)明的目的也可通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)制作超微細(xì)圖形光學(xué)裝置的真空工作室中，發(fā)出原子束的原子發(fā)生器的下方是孔欄，孔欄下方是準(zhǔn)直光場(chǎng)和聚焦光場(chǎng)；經(jīng)過準(zhǔn)直光場(chǎng)的原子束的橫向速度減為零形成的準(zhǔn)直原子束，經(jīng)過聚焦光場(chǎng)，在位于承片臺(tái)的基片上堆積成所要求的圖形。
本發(fā)明的目的還可通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)制作超微細(xì)圖形光學(xué)裝置的聚焦光場(chǎng)可以是形成柵線圖形的波浪狀駐波梯度光場(chǎng)，也可以是形成點(diǎn)陣圖形的點(diǎn)陣聚焦型梯度光場(chǎng)。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明是將國際上最新研究成果光可控原子技術(shù)應(yīng)用于制作超微細(xì)圖形和三維圖形。光可控原子技術(shù)是美國麻省理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室利用磁場(chǎng)與激光場(chǎng)對(duì)中性原子進(jìn)行冷卻并固定的基礎(chǔ)上開辟的新領(lǐng)域。國內(nèi)北京大學(xué)等也成功進(jìn)行了用多束激光對(duì)銫原子進(jìn)行冷卻和囚禁的研究，在實(shí)驗(yàn)室中形成了超冷和運(yùn)動(dòng)速度幾乎為零的原子光學(xué)粘團(tuán)。但至今還沒有見到將光可控原子技術(shù)應(yīng)用于制作微細(xì)圖形的報(bào)導(dǎo)。本發(fā)明提供的光學(xué)裝置是光可控原子技術(shù)在制作微細(xì)圖形方面開辟的一個(gè)新的研究分支。
本發(fā)明通過制作超微細(xì)圖形光學(xué)裝置的光學(xué)控制系統(tǒng)形成激光光場(chǎng)，利用激光光場(chǎng)的光力作用于原子束，控制了原子束的橫向速度，使之準(zhǔn)直和聚焦；以及利用激光聚焦梯度場(chǎng)，控制原子束的偏轉(zhuǎn)，使其在基片上堆積制作超微細(xì)圖形和三維圖形。由于本發(fā)明可直接利用激光場(chǎng)的光力控制金屬元素原子束直接堆積出超微細(xì)圖形，在制作圖形的過程中不需任何掩模，也不需光刻顯影等其它工藝流程，因此大大簡化了超微細(xì)圖形的制作工藝，節(jié)約了大量設(shè)備和儀器。并且該裝置可直接制作利用現(xiàn)有設(shè)備和工藝不能直接制作出的三維圖形。
本發(fā)明采用激光場(chǎng)的光力控制原子束的準(zhǔn)直和聚焦，激光波長很短，聚焦點(diǎn)很小，因此制作的圖形可達(dá)到超微細(xì)級(jí)，甚至達(dá)到納米級(jí)。本裝置還可成批地制作點(diǎn)和柵線，適合批量制作的需要。本發(fā)明可用于超微細(xì)三維圖形、納米材料、納米級(jí)器件和量子器件的研究開發(fā)，用途廣泛。


圖1為制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置的總結(jié)構(gòu)圖。
圖2為駐波聚焦梯度光場(chǎng)的光力控制原子束聚焦原理圖。
圖3為點(diǎn)陣聚焦光場(chǎng)的光力控制原子束聚焦原理圖。
圖4為原子束堆積成的點(diǎn)陣圖。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖1所示，實(shí)施例中，制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置由光學(xué)控制系統(tǒng)、真空工作室1和原子發(fā)生器2等構(gòu)成。利用激光對(duì)中性原子進(jìn)行冷卻的原理，通過光學(xué)控制系統(tǒng)在真空工作室1中形成激光光場(chǎng)，控制真空工作室1中的原子發(fā)生器2產(chǎn)生的原子束3，使其準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)、聚焦，堆積成所要求的超微細(xì)圖形或三維圖形。
如圖1所示，光學(xué)控制系統(tǒng)由激光器和反射鏡、聲光器件、透鏡組、偏振器、1/4波片等組成。
激光器4發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡26反射后進(jìn)入第一聲光器件25，經(jīng)第一聲光器件25調(diào)諧并同時(shí)分成二束。被分出的第一激光束5經(jīng)第一反射鏡6二次反射后，通過第二聲光器件7調(diào)諧，再經(jīng)第一透鏡組8擴(kuò)束，以及第一偏振器9起偏，進(jìn)入真空工作室1。第一激光束5經(jīng)第一1/4波片11和第一反射鏡12反射后形成第一反射激光束13。第一激光束5與第一反射激光束13在真空工作室1內(nèi)形成原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)14。原子束3經(jīng)過原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)14后成為準(zhǔn)直原子束15。
由第一聲光器件25分出的第二激光束24，經(jīng)第二透鏡組23、第二偏振器22、第二1/4波片21進(jìn)入真空工作室1。第二激光束24經(jīng)第二反射鏡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形成原子束聚焦光場(chǎng)18。
真空工作室1中的原子發(fā)生器2的下方是孔欄10?？讬?0的下方是準(zhǔn)直光場(chǎng)14和聚焦光場(chǎng)18。原子發(fā)生器2產(chǎn)生的原子束3經(jīng)過孔欄10被擋去發(fā)散部分的原子后，向下射入光學(xué)控制系統(tǒng)形成的原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)14。在原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)14的光力作用下，原子的橫向速度減為零，原子束3得到準(zhǔn)直而形成只有垂直方向速度的準(zhǔn)直原子束15。
準(zhǔn)直原子束15繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入光學(xué)控制系統(tǒng)形成的聚焦光場(chǎng)18。聚焦光場(chǎng)18內(nèi)有基片19?；?9位于承片臺(tái)20之上。在聚焦光場(chǎng)18的光力作用和控制下，準(zhǔn)直原子束15發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并聚焦于基片19上，堆積成所要求的超微細(xì)圖形或者三維圖形。
準(zhǔn)直原子束15在基片19上堆積成的超細(xì)圖形或三維圖形與聚焦光場(chǎng)的形狀有關(guān)。聚焦光場(chǎng)的形狀則與第二激光束24和第二反射鏡16之間的相對(duì)位置(夾角)有關(guān)。
由圖2所示，第二反射鏡16與激光束24垂直時(shí)，激光束24經(jīng)第二反射鏡16一次垂直反射，得到的第二反射激光束17與第二激光束24在基片19上形成的駐波聚焦梯度光場(chǎng)27的形狀是波浪狀的駐波。準(zhǔn)直原子束15通過駐波聚焦梯度光場(chǎng)27時(shí)，原子向駐波陷阱偏轉(zhuǎn)，并在基片19上面堆積成線狀柵線圖形28，線狀柵線圖形28的周期29為1/2激光波長。
由圖3所示，第二反射鏡16與第二激光束24的夾角32為60°時(shí)，第二激光束24經(jīng)第二反射鏡16多次反射，得到的第二反射激光束17與第二激光束24在基片19上形成點(diǎn)陣聚焦型梯度光場(chǎng)30。準(zhǔn)直原子束15通過點(diǎn)陣聚焦型梯度光場(chǎng)30后，在基片19上面堆積形成如圖4所示的點(diǎn)陣圖形31。
權(quán)利要求
1.一種制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置，由光學(xué)控制系統(tǒng)、真空工作室(1)和原子發(fā)生器(2)等構(gòu)成，其特征在于光學(xué)控制系統(tǒng)包括激光器、反射鏡、聲光器件和透鏡組等光學(xué)控制元件，激光器(4)發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡(26)和第一聲光器件(25)分成二束，分出的第一激光束(5)經(jīng)第一反射鏡(6)、第二聲光器件(7)、第一透鏡組(8)和第一偏振器(9)，進(jìn)入真空工作室(1)，并經(jīng)第一1/4波片(11)和第一反射鏡(12)反射，在真空工作室(1)內(nèi)形成原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)(14)；分出的第二激光束(24)經(jīng)第二透鏡組(23)、第二偏振器(22)和第二1/4波片(21)，進(jìn)入真空工作室(1)，經(jīng)第二反射鏡(16)反射，在基片(19)上形成原子束聚焦光場(chǎng)(18)；真空工作室(1)中的原子發(fā)生器(2)發(fā)出的原子束(3)經(jīng)過原子束準(zhǔn)直光場(chǎng)(14)和原子束聚焦光場(chǎng)(18)，受其光力的作用和控制而產(chǎn)生超微細(xì)圖形或三維圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置，其特征在于在真空工作室(1)中，發(fā)出原子束(3)的原子發(fā)生器(2)的下方是孔欄(10)，孔欄(10)的下方是準(zhǔn)直光場(chǎng)(14)和聚焦光場(chǎng)(18)，經(jīng)過準(zhǔn)直光場(chǎng)(14)的原子束(3)的橫向速度減為零后形成的準(zhǔn)直原子束(15)，經(jīng)過聚焦光場(chǎng)(18)，在位于基片臺(tái)(20)的基片(19)上堆積成所要求的圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作超微細(xì)圖形的光學(xué)裝置，其特征在于聚焦光場(chǎng)(18)可以是形成柵線圖形(28)的波浪狀駐波梯度光場(chǎng)(27)，也可以是形成點(diǎn)陣圖形(31)的點(diǎn)陣聚焦型梯度光場(chǎng)(30)。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用光力制作超微細(xì)圖形光學(xué)裝置,由激光器、反射鏡、聲光器件、透鏡組等組成的光學(xué)控制系統(tǒng)、原子束發(fā)生器以及真空工作室等構(gòu)成。它利用光學(xué)控制系統(tǒng)形成的激光場(chǎng)對(duì)原子的作用力,使原子束準(zhǔn)直和聚焦,直接在基底上成批量制作出點(diǎn)線圖形,具有不需要掩模、光刻設(shè)備,避免了光刻顯影刻蝕等工藝流程的特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于包含納米圖形的超微細(xì)三維圖形、納米材料、納米器件和量子器件等研究開發(fā)。
文檔編號(hào)G02B27/22GK1385735SQ0110843
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月16日
發(fā)明者羅先剛, 姚漢民, 陳旭南, 李展, 陳獻(xiàn)忠 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所