一种激光溅射原子发生装置的制作方法

1.本发明涉及量子技术领域，尤其涉及一种激光溅射原子发生装置。


背景技术：

2.在离子阱等囚禁离子装置中，离子的产生和加载是重要的一步，包括原子发生、原子离化、离子捕获三个过程。其中原子的发生一般有两种方法，一种是加热法，即加热含有目标原子的材料，使目标原子从材料中逸散，形成原子蒸汽，然后通过定向通道输送到离子囚禁装置中。另一种是激光溅射法，即利用脉冲激光对含有目标原子的靶材进行照射消融，激发出目标原子。由于离子囚禁装置一般需放置于超高真空腔内以隔绝外界的影响，保证囚禁离子的稳定性，同时原子发生装置需尽可能靠近离子囚禁装置以保证离子能够快速高效地被离子囚禁装置捕获，因此原子发生装置需与离子囚禁装置一起封闭于真空腔内。在采用超低温技术进行超高真空获取的真空腔内，采用加热法的原子发生装置会产生较大的热负荷，破坏超低温环境，导致真空度难以保证。而传统的激光溅射法原子发生装置，存在三个问题：1、激光溅射产生的原子束向各个方向无规律发出，而离子囚禁装置（如离子阱）的囚禁区域范围非常小，因此大部分原子将无法被囚禁，飞入自由空间或附着于离子阱电极表面，对离子阱电极造成污染，导致电极失效。而采用屏蔽层的方式不够紧凑，占用太多空间。2、激光溅射所需的激光源一般设置于真空腔外，通过激光真空视窗进入真空腔并照射到靶材，距离较长，激光的准直难度较大。3、为了提高原子发生和捕获的效率，一般需要使激光尽可能垂直照射靶材表面，因此激光源与靶材需相对设置于离子阱的两侧，在需要用激光进行离子探测和操控的场景中，这种方式占用了太多的激光入射位。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光溅射原子发生装置，以解决激光与靶材相对分置导致的长距离准直问题和离子阱周边激光入射位占用过多的问题。
4.本发明的目的采用如下技术方案实现：一种激光溅射原子发生装置，包括壳体，所述壳体内设有激光通道和原子发射通道，在激光通道和原子发射通道之间设置激光反射通道，在所述原子发射通道的一端设有靶材，在所述原子发射通道的另一端设有原子发射孔；所述激光通道内沿入射激光的传播方向依次设有光纤耦合器、准直器及反射镜，所述壳体上对应所述光纤耦合器的位置设有光纤接口，经所述反射镜反射出来的激光穿过激光反射通道进入所述原子发射通道并能投射至所述靶材上。
5.进一步地，在所述准直器和反射镜之间设有聚焦透镜。
6.进一步地，所述聚焦透镜的光心和反射镜的光线接收面中心之间的距离加反射镜的光线接收面中心和靶材的光线接收面中心之间的距离等于所述聚焦透镜的焦距。
7.进一步地，所述激光通道内设有用于固定所述反射镜的固定块。
8.进一步地，所述反射镜的角度能够调节，所述激光通道还设有调节机构，所述调节机构与所述固定块相互配合来调节反射镜的角度。
9.进一步地，所述激光通道和原子发射通道相互平行。
10.进一步地，所述原子发射孔对准所述靶材的中心位置。
11.进一步地，所述激光反射通道倾斜设置。
12.进一步地，所述原子发射通道截面为长方体。
13.进一步地，所述靶材可拆卸安装在所述原子发射通道内。
14.相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明采用光溅射法产生原子，规避了加热法原子发生装置带来的热负荷问题，能够满足超低温真空环境下的使用要求。通过将激光通道、原子发射通道、靶材和光纤接口均集成在一个壳体内，同时利用反射镜，将激光通道的激光导入原子发射通道内，具有结构紧凑、体积小、使用方便的特点，解决了之前激光溅射原子发生装置中激光和靶材需要分置导致的长距离准直的问题，只需要将光纤通过特定的光纤馈通技术引入真空腔内，安装到本装置上，即可产生原子，无需占用离子囚禁装置周边的光路空间，解决了离子阱周边激光入射位占用过多的问题；此外，通过将靶材放置于带有原子发射孔的原子发射通道中，对激发出的原子束进行方向屏蔽，避免了杂散方向上的原子束对离子囚禁装置的污染。
附图说明
15.图1 为本发明提供的一种激光溅射原子发生装置的示意图；图2 为本发明提供的一种激光溅射原子发生装置的光纤耦合器与光纤的装配分解图；图中：1、壳体；10、原子发射通道；11、原子发射孔；12、激光通道；13、激光反射通道；2、靶材；3、光纤；31、光纤保护罩；4、光纤耦合器；41、保护构件；42、控距部件；5、准直器；6、聚焦透镜；7、反射镜；8、固定块。
具体实施方式
16.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”、“顶”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“一个”、“另一个”等用于区分相似的元件，这些术语以及其它类似术语不旨在限制本发明的范围。
18.本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。在各附图中，相同或相应的元件采用相应的附图标记(例如，以“1xx”和“2xx”标识的元件结构相同、功能类似)。
19.如图1-2所示，为本发明提供的一种激光溅射原子发生装置，包括壳体1，所述壳体1内设有激光通道12和原子发射通道10，在激光通道12和原子发射通道10之间设置激光反射通道13，在所述原子发射通道10的一端设有靶材2，在所述原子发射通道10的另一端设有原子发射孔11；所述激光通道12内沿入射激光的传播方向依次设有光纤耦合器4、准直器5及反射镜7，所述壳体1上对应所述光纤耦合器4的位置设有光纤接口，经所述反射镜7反射出来的激光穿过激光反射通道13进入所述原子发射通道10并能投射至所述靶材2上。
20.在本实施例中，壳体1的作用是作为整个装置的围护结构和固定结构，原子发射通道10的作用是放置靶材2，提供原子束的屏蔽和原子定向发射的通道，激光通道12的作用是固定光纤耦合器4、准直器5、反射镜7及聚焦透镜6，并提供激光入射的通路。靶材2设置于原子发射通道10的一端，作用是提供目标原子的来源，原子发射孔11，用于向目标方向发射原子束。反射镜7的作用能够将入射的激光以特定的角度通过激光反射通道13反射到靶材2上。采用光纤3将溅射脉冲激光导入激光通道12内，具体地，光纤3通过光纤接口与光纤耦合器4连接；先将该装置设置于离子囚禁装置附近，原子发射孔11尽可能接近离子囚禁装置的囚禁区域，且对准囚禁区域。溅射脉冲激光通过光纤3进入，通过准直器5后，通过反射镜7进行反射后，穿过激光反射通道13进入原子发射通道10，照射于靶材2之上。靶材2表面的原子在激光照射下溅射出目标原子，向各个方向射出，由于原子发射通道10对杂散方向上的原子束进行过滤，正对于原子发射孔11方向的原子束能够从原子发射孔11射出。由于原子发射孔11对准了离子囚禁装置的囚禁区域，且距离足够近，使得飞出的原子束能够顺利进入囚禁区域。
21.本发明采用光溅射法产生原子，规避了加热法原子发生装置带来的热负荷问题，能够满足超低温真空环境下的使用要求。通过将激光通道12、原子发射通道10、靶材2和光纤接口均集成在一个壳体1内，同时利用反射镜7，将激光通道12的激光导入原子发射通道10内，具有结构紧凑、体积小、使用方便的特点，解决了之前激光溅射原子发生装置中激光和靶材2需要分置导致的长距离准直的问题，只需要将光纤3通过特定的光纤馈通技术引入真空腔内，安装到本装置上，即可产生原子，无需占用离子囚禁装置周边的光路空间，解决了离子阱周边激光入射位占用过多的问题；此外，通过将靶材2放置于带有原子发射孔11的原子发射通道10中，对激发出的原子束进行方向屏蔽，避免了杂散方向上的原子束对离子囚禁装置的污染。
22.需要说明的是，本发明的光纤耦合器4与光纤3的装配示意图如图2所示，光纤耦合器4包括保护构件41及控距部件42，光纤3外部套设有光纤保护罩31。
23.作为优选的实施方式，在所述准直器5和反射镜7之间设有聚焦透镜6。在准直器5与反射镜7之间，设置了聚焦透镜6，激光通过准直器5后，通过聚焦透镜6进行聚焦，形成高斯光束，使激光能够以规定的光斑直径照射于靶材2上。
24.具体地，所述聚焦透镜6的光心和反射镜7的光线接收面中心之间的距离加反射镜7的光线接收面中心和靶材2的光线接收面中心之间的距离等于所述聚焦透镜6的焦距。使得聚焦效果达到最佳。
25.作为优选的实施方式，所述激光通道12内设有用于固定所述反射镜7的固定块8，
这样便于安装反射镜7。
26.作为优选的实施方式，所述反射镜7的角度能够调节，所述激光通道12还设有调节机构，所述调节机构与所述固定块8相互配合来调节反射镜7的角度。本实施例的调节机构能够驱动固定块8转动，继而调整反射镜7的角度，从而实现对反射镜7的反射角度进行自动调整，从而能够将入射的激光以特定的角度通过激光反射通道13反射到靶材2上，操作简单。其中，调节机构可以是电机、丝杆等驱动机构。
27.作为优选的实施方式，所述激光通道12和原子发射通道10相互平行。这样可以保持入射激光和发射原子相互平行，便于该原子发生装置的安装，同时使得整体装置结构紧凑，具有体积较小的特点，有效解决了离子阱周边激光入射位占用过多的问题。
28.作为优选的实施方式，所述原子发射孔11对准所述靶材2的中心位置。这样保证原子发射与入射激光相互平行，有效解决了离子阱周边激光入射位占用过多的问题。
29.具体地，所述激光反射通道13倾斜设置。通过反射镜7和激光反射通道13的相互配合，保证入射的激光能击中靶材2，同时达到结构紧凑的目的。
30.作为优选的实施方式，所述原子发射通道10截面为长方体。保证达到结构紧凑的目的，有效解决了离子阱周边激光入射位占用过多的问题。
31.作为优选的实施方式，所述靶材2可拆卸安装在所述原子发射通道10内。这样方便更换靶材2。
32.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。