基于直边衍射的高斯激光驻波场仿真

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于标量光学理论,采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明,高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象,两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍;随着束腰的增大,高斯激光的衍射越接近平面波;中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小;直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波;这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质;并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。

Cr原子在高斯型激光驻波场中汇聚沉积的仿真研究

在激光汇聚原子束沉积纳米光栅的研究中,半经典理论是一种简单而有效的方法。利用半经典理论模型,对Cr原子在高斯型激光驻波场中的汇聚沉积进行了模拟分析和研究。通过龙格-库塔法数值模拟出在不同失谐量Δ、激光功率P、Cr原子束的横向纵向速度、基片摆放位置zf和高斯光束束腰0ω条件下,Cr原子沉积光栅结构的变化,根据所得各光栅图形参数,分析了不同因素对Cr原子沉积的影响。

激光驻波原子透镜的像差分析

用激光驻波构成的原子透镜对原子束实现nm量级的聚焦,由于原子束的速度扩散、束扩散和原子的波动特性等因素的影响,原子透镜存在像差。建立了两种描述原子透镜的理论模型,用半经典模型分析原子透镜的球差、色差及由原子束的发散角引起的像差,用量子模型分析原子透镜的衍射像差。模拟结果表明原子束的发散角是产生像差的主要因素,衍射像差大于球差和色差。提出了优化实验参数、增加束掩模和利用刻蚀技术三种改善原子光刻实验的方法。

厚透镜近似下激光驻波场中原子动力学研究

研究了在厚透镜近似下 ,原子在激光驻波场中的动力学行为 .通过直接演化一维薛定谔方程 ,发现当激光的强度较大时 ,原子束将会聚焦形成几个焦点 .如果激光的强度更大 ,驻波场中的原子将会出现一种“隧道”现象 ,此时 ,原子受一些实验参数 (如焦平面位置、激光强度等 )的影响程度将大大降低 .这种现象有利于提高原子在驻波场中聚焦沉积的效果 .

激光驻波场中电子运动与能量分析

采用相对论Lorentz方程,数值计算了高能电子在线极化激光驻波场中的运动过程。计算结果表明,电子能量存在一个临界值,能量超过临界值的入射电子在驻波场中振荡运动的稳定平衡位置由波节变成波腹。在波腹处平行于电场入射的高能电子在强电场作用下速度和能量快速振荡,其振幅包络近似为余弦函数。而在波节处垂直于磁场入射的电子仅在Lorentz力作用下快速振荡,在穿过驻波中心前获得能量,穿过中心后失去能量,电子出射后能量均保持不变。

激光驻波中运动电子的谐波自发辐射

采用单电子模型分析了电子在线极化激光驻波中的动力学及谐波自发辐射谱,数值计算了电子在驻波中的运动情况及辐射谱。结果表明:电子在波节和波腹处入射后,其辐射谱出现不同的特征;电子在波节处垂直磁场入射后,在洛伦兹力作用下快速振动并向前运动,其向后辐射的光谱发生红移,向前辐射的光谱发生蓝移,谱线出现展宽;当激光强度或者电子初始能量增大时,这些效应更加突出,以至于产生更高阶谐波,形成连续谱;而电子在波腹处以平行电场的方向入射后,仅在电场作用下作直线运动,其自发辐射谱线没有发生移动和展宽。

新激光驻波势中两分量BEC的非定态精确解

探索了新激光驻波势中两分量波色-爱因斯坦凝聚(BEC)的非定态精确解,并对原子相互作用强度α12≠α11≠α22和α12=α11=α22=α这2种情况都作了讨论.发现对于原子相互作用强度α12≠α11≠α22,这2个分量的波函数是相似的,且2个分量在单个空间周期的粒子数要满足一定关系,而对于α12=α11=α22=α,这2个分量的波函数可能不同,且粒子数间没有限制关系.

激光驻波场中原子deBroglie波的二维衍射

我们在考虑原子反射后，严格求解了二能级原子被共振激光驻波衍射的二维Ｓｃｈｒｄｉｎｇｅｒ方程。在此基础上，数值计算了原子通过驻波栅的衍射谱以及动量分布，求得了原子，特别是慢原子，在激光驻波栅上的反射系数。所得结果不仅适用于快原子，也适用于慢原子情形。

弱激光驻波场作用下的无反射势阱

研究弱激光驻波场中的无反射势阱 .利用直接微扰法 ,导出该系统非齐次Schr dinger方程的积分形式的精确解 .分析和数值研究发现 ,该解满足波函数有界的条件 ,但不能表示成初等函数的有限形式 。

激光驻波场中Cr原子运动轨迹与汇聚沉积的分析

利用半经典模型,从铬原子在激光驻波场中的运动方程出发,通过数值解方法模拟了铬原子在驻波场中的运动轨迹,并分析了原子的纵向速度分布和准直程度及球差对沉积条纹结构的影响,同时也讨论了基片摆放位置对沉积条纹结构的影响,并通过实验得到了纳米光栅条纹结构.

偏斜椭圆激光驻波场作用下中性原子沉积纳米光栅结构特性分析

分析了椭圆激光驻波场的偏斜对中性原子运动过程和沉积过程的影响,对不同偏斜角度椭圆激光驻波场作用下中性铬原子沉积纳米光栅结构的特性进行了仿真研究,由仿真结果可以看出,随着偏斜椭圆形激光束偏斜角的增加,对应于不同y平面,激光驻波场汇聚中性原子所形成纳米光栅条纹的对比度不断减小、半高宽不断增大.当椭圆长短轴之比为2:1条件下,椭圆激光驻波场的偏斜角为0°时,纳米光栅的条纹半高宽为3.2nm,条纹对比度为36:1,而当偏斜角为15°时,激光驻波场中心位置处的沉积条纹的半高宽为6.5nm,条纹对比度为24:1,而当椭圆激光驻波场偏斜角度达到30°时,沉积条纹的单峰结构将会产生分裂,形成了双峰结构,且随着偏斜角的增加,沉积条纹的分裂越严重,纳米光栅的沉积质量越差.对于其他长短轴比例条件下的激光场亦可根据比例关系获得相应的纳米光栅沉积特性.

激光驻波场中钠原子沉积图样的理论研究

原子在近共振激光驻波场中受光的作用力汇聚沉积,形成以激光半波长为周期的光栅结构.利用半经典模型对钠原子束在不饱和驻波场中的运动行为进行了理论研究,用数值方法模拟出在考虑横向温度、纵向速度和自由飞程后钠原子沉积的光栅结构,通过半高宽、对比度对最终沉积图样进行表征,分析了这些因素对沉积的影响,为正在开展的原子光刻实验提供了必要的理论依据.

原子运动速度对激光驻波场作用下纳米光栅沉积特性的影响

利用近共振激光驻波场操纵中性原子实现纳米光栅的沉积是一种新型的研制纳米结构方法,处于激光驻波场中的原子运动速度特性对最终纳米光栅的沉积特性有着重要的影响.利用半经典理论,基于4阶Runge-Kutta算法进行了不同铬原子纵向和横向运动速度条件下纳米光栅结构沉积的仿真研究.研究表明,铬原子纵向速度为最大概率速度960m/s时,所形成的纳米光栅的半高宽为1.49nm,对比度为62.1:1,当铬原子的纵向速度为半最大概率速度480m/s时,纳米光栅的半高宽为5.35nm,对比度下降为25.6:1.同时,对原子的横向速度影响沉积特性的研究表明,当原子的横向运动速度为0.25m/s时,纳米光栅结构的半高宽为4.18nm,条纹对比度为20.9:1,当原子的横向运动速度为0.50m/s时,纳米光栅结构的半高宽变为58.4nm,条纹对比度减小为8.9:1,沉积条纹质量下降.

中性钠原子在激光驻波场中的运动特性研究

基于半经典理论,分析了中性钠原子在激光驻波场中的受力特征,以此为基础分别对不同纵向运动速度和横向运动速度条件下中性钠原子的运动轨迹进行了仿真运算,得到了不同速度条件下中性钠原子的运动轨迹特征,基于累计算法进一步对不同速度条件下中性钠原子的沉积特性进行了仿真,当钠原子的纵向运动速度符合最可及速度(740m/s)时,纳米沉积条纹的半高宽为2.78nm,条纹对比度为38.5∶1,当纵向运动速度偏离最可及速度(350m/s)时,纳米沉积条纹的半高宽为29.1nm,其对比度下降为15∶1.而当中性钠原子的横向运动速度为0.12m/s(对应原子束发散角为0.15mrad)时,纳米沉积条纹的半高宽为4.2nm,条纹对比度为20∶1,当中性钠原子的横向运动速度为1.2m/s(对应原子束发散角为1.5mrad)时,纳米条纹呈现多峰结构,条纹质量恶化.

量子模型分析激光驻波原子透镜的像差

采用量子模型对近共振激光驻波原子透镜会聚Cr原子束、形成纳米量级光栅结构的物理过程进行数值模拟。为提高原子透镜的成像质量,对各种像差,如衍射像差、球差、色差、及原子束发散角、原子磁支能级、原子同位素等因素引起的像差进行了理论分析。模拟结果表明,相比粒子光学模型,量子模型能更加精确地描述原子会聚结果,且能解释原子在驻波光场中的衍射现象。在各种像差中,原子束发散角是最主要的因素,其影响大于衍射像差、球差、色差。原子的磁支能级、同位素等因素对像差影响很小,可以忽略不计。激光冷却准直原子束的方法可以减小束发散角引起的像差,压缩原子速度Vz分布范围的方法可以减小色差。

沟道效应作用下中性原子在激光驻波场中的沉积特性研究

基于半经典理论,建立了中性原子与激光驻波场相互作用的模型,分析了中性原子在激光驻波场沟道效应作用下运动轨迹及沉积特性,探讨了球差、色差和原子束发散角对沉积条纹的影响.得到了上述三种影响因素下纳米光栅的半高宽分别为0.532,12.16,96.70 nm.仿真结果表明,随着原子束发散角度的增加,沉积条纹的对比度将会下降,当原子束发散角分别为0.1 mard时,其对比度为85.2:1,发散角为0.3 mrad时,条纹对比度为5.33:1,而当发散角增加至0.5 mrad以上时,沉积条纹将会出现分裂现象,导致条纹的恶化.

椭圆型激光驻波场作用下Cr原子的汇聚特性研究

利用近共振激光驻波场操纵中性原子实现纳米级条纹沉积技术是一种新型的研制纳米结构长度标准传递的方法.分析了Cr原子在椭圆型激光驻波场作用下的沉积特性,分别对不同椭圆激光驻波场功率下Cr原子的沉积条纹及不同y平面上沉积条纹特性进行了模拟和分析.同时针对椭圆激光驻波场作用下Cr原子发散角对沉积条纹特性的影响进行了模拟计算,比较了不同发散角条件下沉积条纹的对比度和半高宽.

亚稳态氦原子束在激光驻波场中聚焦的衍射像差研究

用量子力学方法研究了一维激光驻波场对亚稳态氦原子束聚焦的衍射像差。建立了半经典模型 ,该模型在一定条件下和已有模型一致 ,提出了直接计算时间演化算符的数值方法 ,这种计算方法速度较快 ,收敛性较好 ,数值模拟结果表明在一定的激光强度和光束半径等参量下 ,亚稳态氦原子束被聚焦 ,焦点的半峰全宽为 54nm ,对比度 1 6∶1 ,焦长、焦深与入射原子束的速度有关 ,从而与动能有关 ,焦点的有限宽度主要是来自衍射效应的影响。

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究.结果表明:垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大,逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动,并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射;高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中,都会产生波长在几个纳米的高频辐射;低能电子与激光驻波场作用中,激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度;高能电子入射时,激光强度影响了电子高频辐射的强度,电子初始能量影响着辐射的频率;电子能量越高,产生的辐射频率越大.研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束,并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源.研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.

激光驻波场中铬原子的三维沉积特性分析

利用近共振激光驻波场操纵中性原子实现纳米级条纹沉积是一种新型的研制纳米结构长度标准传递方法,但仅通过一维和二维形式的仿真不能给出激光驻波场作用下中性原子沉积纳米光栅的全部信息。利用半经典模型,从铬原子在高斯激光驻波场中的运动方程出发,通过四阶Rungo-Kutta法模拟了铬原子在高斯激光驻波场中的三维运动轨迹以及三维沉积条纹结构,并分析了原子束发散、色差和球差等因素对三维运动轨迹及沉积条纹结构的影响。结果表明,利用三维仿真形式模拟高斯激光驻波场中铬原子的运动得到的结果与一维和二维形式下相比可以直观地表现出其较为详细的本质。