铬原子束1维多普勒激光准直分析

为了研究预准直后铬原子束1维多普勒激光准直效果随着激光功率、激光失谐量和作用区域等各种参量变化的情况,采用适当步长的4阶Runge-Kutta算法进行了理论分析,得到了铬原子束1维多普勒激光准直效果与各种激光参量之间的变化关系.结果表明,铬原子束经过离坩埚口600mm、横向尺寸为5mm狭缝预准直后,在激光功率为20mW、激光失谐量为-0.5?梦踉拥淖匀幌呖?、作用区域为2倍最小作用区域的情况下,可以获得最好的激光准直效果.     

铬原子束的激光多普勒冷却准直检测实验研究

本文采用基于激光感生荧光（LIF）的位移探测系统检测了铬原子束中轴向定量百分比原子数的冷却准直发散角,评价了激光的多普勒冷却准直效果。实验结果得到当冷却激光功率为45mW,作用长度为24mm,失谐量为-0.5Γ的情况下,铬原子束中轴向定量50%原子数的发散角由冷却准直前的1.07±0.10mrad减小到冷却准直后的0.46±0.10mrad,并且其准直发散角随着冷却激光功率的增加而减小。文章最后用半经典理论数值模拟计算了实验结果并与之作了比较。     

铬原子束的激光多普勒冷却准直检测实验研究

本文采用基于激光感生荧光(LIF)法的位移探测系统检测了铬原子束中轴向定量百分数原子数的准直发散角,定量评价了激光的多普勒冷却准直效果.实验结果得到当冷却激光功率为45mW,作用长度为24nm,失谐量为-0.5T的情况下,铬原子束中轴向定量50%原子数的准直发散角由冷却准直前的1.07±0.10mrad减小到冷却准直后的0.46±0.10mrad,并且其发散角随着冷却激光功率的增加而减小.文章最后用半经典理论数值模拟计算了实验结果并作了比较.     

1维光学粘胶作用下铬原子束空间分布特性

为了研究激光准直场作用下原子束的空间分布状态对纳米光栅沉积制作的影响,基于半经典理论,分析了1维光学粘胶对中性铬原子的作用力特性,利用4阶龙格-库塔数值积分算法对不同激光场强度、不同激光失谐量、不同激光场范围条件下中性铬原子束的空间分布进行了仿真分析。由仿真结果可知,随着激光场强度的增加,原子束的分布向中心区域集中,由于受饱和效应的影响,该种集中的趋势随激光强度的增加而逐渐变缓;同时,当激光失谐量等于原子线宽的一半时,原子束的空间分布最窄。当激光功率为40mW、且失谐量为-2.5MHz时,铬原子束经过1维光学粘胶作用后其空间分布的半峰全宽被压缩为作用前的0.43倍,而原子束密度分布中心值也增大为作用前的1.79倍。结果表明,利用激光准直场的作用可实现原子束空间分布的改善,有利于后续的原子沉积以实现纳米光栅的制作。     

激光准直铬原子束三维仿真分析

为了获得高准直度的中性铬原子束,设计了一个由三组激光束组成的激光准直场对高温铬原子束进行准直。应用蒙特卡罗随机方法模拟实际状态下原子的初始状态,更好地体现了实际状态中原子运动的不确定性以及原子同位素对实验的影响。以原子在激光准直场中的受力情况为依据,定量分析了实际状态中性铬原子束在激光准直场作用下的运动特性,及其在三维空间的运动轨迹和原子落点状态的三维分布。研究显示,经准直后铬原子束在 x 方向最大发散角减小至1．5 mrad,y 方向最大发散角减小至1．6 mrad,且原子通量提高至准直前的两倍。研究结果不仅为实验提供了更详尽的数据资料,更为后续制作更精确的纳米光栅和纳米点提供了更理想的冷原子束。     

基于激光冷却技术的中性锶原子特性研究

为了研究碱土金属类的中性锶原子在多普勒冷却激光场中的冷却特性,从Heisenberg方程出发,采用激光冷却理论分析得到锶原子在能级跃迁（5s2）1S₀~（5s5p）1P₁ 1维驻波激光光场和3维磁光阱中冷却效果与激光强度、失谐量等冷却激光场参量的关系。结果表明,当锶原子处在1维驻波激光光场中且在弱激光光场、频率小失谐条件下,锶原子所受耗散力与这两个参量呈线性关系,但当两个参量增长至一定程度时耗散力呈现饱和现象;当锶原子在3维磁光阱中且当阱中激光光场的频率失谐为-16MHz时,碱土金属锶原子有最低冷却温度,约为0.76mK。对多普勒冷却光场中性锶原子特性的分析为其它碱土金属类原子的冷却研究提供了一定的理论指导。     

原子光刻制备铬原子纳米条纹的实验研究

原子光刻技术可以制备高重复性的铬原子纳米条纹光栅,这种光栅可以作为纳米节距标准,实现对高精度的扫描探针式显微镜、电子显微镜等高端仪器的校准。高真空腔体中的固态铬原子受高温喷发出气态原子束,运动的原子束在冷却激光场和激光驻波场的分别作用下,实现原子束的准直与汇聚,沉积在位于激光驻波场后面的InP基片上。经过3h的堆积,得到间距为212.78nm,高度为9nm 的铬原子纳米条纹光栅。针对条纹生长速率较慢的问题,分析了具体原因,为后续工作提供参考。     

3孔预准直后铬原子束横向位置分布仿真

为了研究52Cr原子以外其它同位素对铬原子束横向位置分布的影响,采用蒙特卡罗方法对3孔预准直狭缝条件下的1维激光冷却进行了理论分析。由分析可知,在区分52Cr原子和其它同位素条件下,原子束横向位置分布的基底会有所增加,每一部分原子束的特征值也有明显的变化,中心部分原子束中心最大值有9.5%的降低,半峰全宽有2.9%的增加;两侧每一部分原子束的中心最大值有25%的增加,半峰全宽略有增宽。结果表明,其它同位素的区分与否对中心部分原子束的中心最大值和半峰全宽影响很小。     

基于蒙特卡罗方法进行冷原子束模拟和参数优化

采用蒙特卡罗方法对基于制备低速浓密原子源(LVIS)产生的三维磁光阱(3D MOT)冷原子束过程进行模拟和系统性能参数优化。在Matlab软件中产生位移满足均匀分布,速度满足麦克斯韦波-尔兹曼分布的107个原子,通过仿真计算得到冷原子束的纵向速度分布和原子通量等关键参数。当冷却光光强为3mW/cm2,失谐量为5Γ时,模拟得到的原子束的纵向最概然速率为8m/s,速度分布的半峰全宽(FWHM)约为2m/s。模拟和实验研究了原子束最概然速率和通量随冷却光光强和失谐量变化的关系,结果表明冷却光失谐量为影响冷原子束速度分布和通量的主要因素,而冷却光功率在达到一定饱和强度后对原子束性能影响不大。     

利用空间多普勒调谐技术冷却原子及其速度单一化

本文理论计算了用圆锥管内多次全反射激光而产生的多普勒频移来冷却原子束的机制。给出了最佳冷却原子束的圆锥管的夹角、长度、反射次数及激光入、出射角等参数。理论计算了原子束经过圆锥管冷却的速度分布情况。数值计算结果表明：采用两个长１３０ｃｍ的锥形管来冷却原子束，选用合适的失谐量可使极大部分速度小于１２００ｍ／ｓ的原子冷却到８ｌｍ／ｓ，并且可得到单一速度的高亮度的原子束。     

52Cr原子光刻制作纳米结构研究

纳米结构制作技术中,原子光刻具有独特的优势.为了能够达到纳米制作的要求,并得到所需的沉积条纹,设计了一套实验装置,并分别对原子光刻技术中的原子源、激光系统、稳频系统、原子准直系统和沉积结果进行具体的分析.根据所设计的实验装置,采用分步实验的方式,对各子系统进行了相关数据的采集和测试.其中,稳频精度达到了0.26 MHz精度,铬原子发散角经激光冷却系统由4.5 mrad降低到了0.9 mrad,最后沉积的纳米条纹间距为234 nm条纹高度约为0.276 nm.     

大功率半导体激光束非球面准直系统的优化设计

为实现空间激光束的远距离传输,利用矢量折射定理研究了大功率半导体激光器发散光束经非球面、非轴对称准直系统的光传输特性。对空间光线传输得出了矩阵传递公式,并针对大功率线源半导体激光器的发散光束进行了高精度的准直优化设计。为实现对激光束的进一步准直,利用光学设计软件CODE-V设计了卡塞格伦光学天线。利用两点法对发散角进行了实验测试,结果表明优化设计的准直系统发散角为1.924 mrad,经光学天线进一步准直后的发散角为96.2μrad。本空间光线追迹方法对复杂光学系统的精确计算具有一定参考意义,所设计的大功率线源激光束准直系统能广泛应用于远距离激光通信系统中。     

用于研制纳米长度标准的激光准直原子技术研究

亚百纳米长度计量标准是实现在纳米尺度精确计量的关键器件。我们课题组已利用原子光刻技术研制出了周期为2130.1nm 的光栅，该光栅的周期对应于原子的跃迁频率，具有直接溯源性和高的精确度。理论与实验数据表明原子的横向准直效果是影响光栅对比度的主要因素。因此，文中将介绍几种原子准直技术的优化与估算方法。利用刀口技术分析了激光多普勒准直原子技术的效果。利用CCD 收集的荧光分析原子的发散角与横向温度，并考虑与分析了吸收率对测量结果的影响。原子的发散角为0.544 mrad，对应的横向温度为343.8 K。文中还分析了各种实验参数对准直效果的影响。     

一种计算水下高斯光束远场光强分布的方法

在平行细光束水下传输的唯像模型基础上,通过对自由空间中高斯光束光强分布规律的分析,将高斯光束分解成多条平行细光束,推导了计算水下高斯光束远场光强分布的数学模型,分析了光强随水体衰减系数、传输距离、散射角变化的规律,并进行实验验证。计算与实验结果基本吻合。     

光通信中高精度激光束准直系统优化设计

基于空间解析几何与矢量形式的折射定理为基础,研究了非球面、非轴对称的激光束准直光学系统,并对空间光线的传输进行了严格的理论推导,得出了光束发散角的传递矩阵递推公式,并对激光束的发散角进行了优化设计.利用激光束质量诊断仪对准直系统的发散角进行了实验测试,结果表明准直系统能达到较高的准直精度.本设计方法能广泛应用于复杂的非球面光学系统设计中.     

基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

半圆形半导体激光器阵列准直工艺方法研究

通过试验,分析并验证了半圆形半导体激光器阵列准直后光束指向发生偏移的原因,证明了烧结过程对准直光束指向性的影响。为避免烧结过程对准直工艺的影响,设计了一种的新的半圆形半导体激光器阵列的准直工艺方法,并设计了半圆形半导体激光器阵列准直工艺平台,实现了对半圆形半导体激光器在组装、烧结后进行阵列准直;同时采用两点一线的原理,设计了用于半圆形半导体激光器阵列准直的双屏监测方法,有效提高了准直的指向准确性和工作效率。通过一对半圆形器件对Ф3mm的固体棒进行泵浦试验,工艺改进后的泵浦增益有了明显提高,泵浦功率为2.3kW时,增益提高了大约15%。     

高功率矩形光斑激光非相干空间合束

激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理,按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。