単色原子ビームの生成とナノリソグラフィーへの応用

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450059
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 芳井 熊安 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30029152)
• 研究分担者: 垣内 弘章 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10233660) ; 安武 潔 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (80166503)
• キーワード: 原子光学 / 単色原子ビーム / レーザー冷却 / 高磁気勾配磁気回路 / ナノストラクチャー

研究概要

本研究は、磁場勾配と原子ビームの磁気的相互作用を利用して単色原子ビームを生成し、従来にない高精細なナノリソグラフィー技術を確立する事を目的としている。
(1)原子の運動状態の操作に用いるレーザー周波数の安定化を行った。Li原子の飽和吸収スペクトルのFM分光により得た絶対周波数標準を用いてレーザー周波数の安定化を行い、任意の離調を周波数標準に与える方法を検討した。
(2)用いるレーザー強度の増幅を目的とし、高輝度半導体レーザーを用いて、注入同期により色素レーザーの外部で光増幅を行う手法を新たに開発した。本研究で開発した色素レーザーの増幅法は、従来法と比較して、レーザー光の質を維持しながら、消費エネルギーが1/12500に抑えられ、コストが1/3となり、得られる増幅出力は2倍以上である。さらに注入同期により2波長同時増幅が可能であることを示した
(3)Li原子ビームに対して初めてレーザーコリメーション法を適用し、その最適化を行った。その結果、Li原子ビームの横方向速度分布を自然幅以内に抑え、位置および運動量の空間密度を共に3.2倍に増加させることに成功した。また、偏光状態の違いによってLi分圧増倍度のレーザー強度依存性が異なることを見出し、レート方程式を用いて準位間の原子分布を解析することにより、冷却遷移から逸脱する原子(光ポンピング)が原因であることを明らかにした。
(4)中性原子ビームの単色化、および内部状態制御を目的とし、原理上もっとも高分解能が期待でき、かつ光を用いない単色化法として、四重極型磁気回路を用いた中性原子速度分光器を新たに開発し、その特性を評価した。その結果、1000m/sのLi原子ビームに対し、0.1%の分解能が容易に得られることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Ohmi,K.Yasutake,M.Shimizu,T.Yasukawa,A.Takeuchi,H.Kakiuchi,K.Yoshii and Y.Mori: "Creation of Mono-Velocity Neutral Atomic Beam"Precision Science and Technology for Perfect Surfaces. JSPE Pub.Ser.No.3. 630-635 (1999)
• [文献書誌] 大参宏昌,安武潔,清水正男,垣内弘章,竹内昭博,芳井熊安,森勇藏: "中性原子ビーム速度分光装置の開発"精密工学会誌. 66・12. 1938-1942 (2000)
• [文献書誌] K.Yasutake,H.Ohmi,M.Shimizu,A.Takeuchi,H.Kakiuchi,K.Yoshii,Y.Mori: "Velocity spectrometer for a neutral atomic beam"Applied Physics B. 71・6. 787-793 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌,安武潔,清水正男,垣内弘章,竹内昭博,芳井熊安,森勇藏: "Li原子ビームのレーザーコリメーション"精密工学会誌. 67(accepted). (2001)
• [文献書誌] 大参宏昌,安武潔,松井優貴,竹内昭博,垣内弘章,芳井熊安,森勇藏: "注入同期法による色素レーザーの増幅"精密工学会誌. 67(accepted). (2001)
• [文献書誌] H.Ohmi,K.Yasutake,Y.Matsui,A.Takeuchi,H.Kakiuchi,K.Yoshii,Y.Mori: "Dual mode amplification of dye laser by injection-seeding method"Proc.of the 4th Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim, Makuhari Messe,2001. (2001)