本發(fā)明涉及一種基于腔共振和磁聚集結(jié)構(gòu)的原子磁顯微技術(shù)，屬于原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磁顯微是對磁場分布的精細(xì)測量。通過磁顯微觀測，可以對磁性蛋白的生長發(fā)育過程進(jìn)行表征，也可以進(jìn)行材料的微弱磁分布測量和集成電路非破壞診斷等。

在磁顯微測量中，其主要的技術(shù)指標(biāo)為空間分辨率和磁場靈敏度。常見的磁顯微技術(shù)有氮空位色心(nv色心)、玻色愛因斯坦凝聚(bec)、超導(dǎo)量子干涉技術(shù)(squid)以及原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)(am)。nv色心磁顯微空間分辨率較高，不需要掃描，可以實(shí)現(xiàn)直接成像。bec方法有可能突破量子極限，實(shí)現(xiàn)壓縮態(tài)測量。squid技術(shù)空間分辨率和磁場靈敏度可調(diào)范圍大，觀測尺度從幾十nm到mm量級，磁場靈敏度從幾十nt/hz^1/2到pt/hz^1/2量級。但是bec和squid都需要工作在低溫環(huán)境下，這局限了它們的應(yīng)用范圍。am技術(shù)目前具有最高的磁場靈敏度，但是傳統(tǒng)的原子磁強(qiáng)計(jì)空間分辨率不高，無法應(yīng)用于微米量級的測量。

針對這一問題，在發(fā)明專利201510761109.1中利用短脈沖光進(jìn)行抽運(yùn)和檢測可以有效提高磁顯微的分辨率。但是在后續(xù)的工作中發(fā)現(xiàn)短脈沖磁顯微有以下兩個(gè)問題：1、在短脈沖磁顯微中，極化率建立時(shí)間在脈沖周期中占了較大比例；2、由于原子氣室側(cè)壁存在一定的厚度，導(dǎo)致待測樣品和敏感原子之間存在一定距離，進(jìn)而使樣品磁場產(chǎn)生衰減，降低了磁場靈敏度。因此如何去解決短脈沖磁顯微中極化率建立時(shí)間占脈沖周期較大比例，以及樣品磁場的衰減這兩個(gè)問題成為了獲得高磁場空間分辨率和高磁場靈敏度磁顯微的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題為：1、在短脈沖磁顯微中，極化率建立時(shí)間在脈沖周期中占了較大比例；2、由于原子氣室側(cè)壁存在一定的厚度，導(dǎo)致待測樣品和敏感原子之間存在一定距離，進(jìn)而使樣品磁場產(chǎn)生衰減，降低了磁場靈敏度。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁顯微成像方法及裝置及裝置。通過“腔共振短脈沖測量”方法的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，得到提高原子磁測量空間分辨率的新方法。通過“mems磁聚集結(jié)構(gòu)”原子氣室的工藝設(shè)計(jì)和流片，實(shí)現(xiàn)樣品磁場的聚集和放大，得到消除樣品磁場氣室側(cè)壁衰減，提高磁場靈敏度的新方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種基于腔共振和磁聚集結(jié)構(gòu)的原子磁顯微方法，該方法利用的裝置包括短脈沖激光器、光隔離器、準(zhǔn)直透鏡、寬帶分光棱鏡、格蘭泰勒棱鏡、四分之一波片、凹面反射鏡、環(huán)形壓電陶瓷、磁屏蔽桶、磁聚集原子氣室、z方向磁場線圈、y方向磁場線圈和ccd探測器，該方法實(shí)現(xiàn)過程為：從短脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光順序經(jīng)過光隔離器、準(zhǔn)直透鏡、寬帶分光棱鏡、格蘭泰勒棱鏡和四分之一波片變成圓偏振光進(jìn)入磁屏蔽桶內(nèi)，磁聚集原子氣室放置于磁屏蔽桶的中心位置，在磁聚集原子氣室的前端粘接凹面反射鏡和環(huán)形壓電陶瓷，凹面反射鏡和磁聚集原子氣室的氣室內(nèi)壁組成一個(gè)諧振腔，通過環(huán)形壓電陶瓷可以精確調(diào)節(jié)諧振腔的腔長，在滿足諧振的情況下，腔內(nèi)光子數(shù)會(huì)快速增加，從而大幅縮短極化率建立時(shí)間，提高信號的對比度，磁場線圈用來產(chǎn)生y方向的磁場來提高信號，獲得最大的信噪比，待測磁場通過磁聚集結(jié)構(gòu)陣列將磁場導(dǎo)入到磁聚集原子氣室內(nèi)部，改變已被極化的堿金屬原子的進(jìn)動(dòng)快慢和進(jìn)動(dòng)方向，進(jìn)而改變激光橫向截面的光強(qiáng)分布，最后通過ccd探測器來檢測出激光光強(qiáng)的空間分布，從而計(jì)算出待測磁場的大小。

其中，所述圓偏振短脈沖光的波長為堿金屬原子d1線躍遷頻率相應(yīng)波長，脈沖結(jié)束后，原子極化達(dá)到飽和，通過ccd探測器可以檢測該極化率。

其中，所述凹面反射鏡的凹面鍍反射率>99％的高反膜，平面鍍增透膜，凹面鍍膜和平面鍍膜的波長對應(yīng)堿金屬d1線波長。

其中，mems磁聚集原子氣室主體采用soi襯底和玻璃襯底鍵合完成，磁聚集結(jié)構(gòu)陣列采用koh腐蝕工藝和電鍍工藝加工完成。

其中，mems磁聚集原子氣室將成像聚焦在磁聚集結(jié)構(gòu)的針尖上，之后，通過調(diào)整y方向磁場來提高信號，獲得最大的信噪比，在此基礎(chǔ)上，在屏蔽桶內(nèi)施加z軸方向的靜態(tài)平行磁場，通過該磁場的變化進(jìn)行成像的觀測和校準(zhǔn)。

其中，磁場靈敏度標(biāo)定采用掩埋單頻校準(zhǔn)信號的方法，通過測量信號的頻譜分析和信噪比計(jì)算磁場靈敏度，空間分辨率采用兩種方法進(jìn)行標(biāo)定，一種方法是施加梯度場，通過梯度場和圖像的匹配進(jìn)行空間分辨率測試；另一種方法是采用片上測試結(jié)構(gòu)，通過濺射剝離工藝在氣室表面加工不同距離的測試引線，通電產(chǎn)生磁場，然后采用瑞利判據(jù)進(jìn)行空間分辨率的測試。

本發(fā)明的原理在于：針對第一個(gè)問題本發(fā)明采用腔共振磁顯微方法。凹面反射鏡1和磁聚集原子氣室11的氣室內(nèi)壁構(gòu)成了諧振腔，通過環(huán)形壓電陶瓷9精確調(diào)整諧振腔的腔長，當(dāng)激光波長和腔長滿足公式(1)時(shí)，抽運(yùn)激光就會(huì)在諧振腔內(nèi)形成諧振，此時(shí)腔內(nèi)光強(qiáng)會(huì)快速增加，其變化規(guī)律遵循公式(2)，從而大幅縮短極化率建立時(shí)間，提高信號的對比度。

公式(1)中λ是激光的波長，l是諧振腔的腔長。

公式(2)中ivavity是腔內(nèi)的光強(qiáng)，i0是原始光強(qiáng)，r是凹面鏡反射率的平方，k是激光的波矢。

針對第二個(gè)問題本發(fā)明采用磁聚集原子氣室磁顯微方法。具體工藝步驟方案如下：

(1)采用koh腐蝕得到四棱錐凹坑；

(2)然后濺射種子層ti/pt/au并進(jìn)行圖形化；

(3)采用電鍍的方法生長nife磁聚集結(jié)構(gòu)；

(4)采用化學(xué)機(jī)械拋光獲得平整的上表面；

(5)根據(jù)情況可再進(jìn)行一次濺射剝離工藝加工出片上測試引線；

(6)進(jìn)行背腔的腐蝕，soi中掩埋的氧化層作為自停止層，腐蝕結(jié)束后再進(jìn)行快速hf腐蝕，得到具有光學(xué)平整度的反射面，此時(shí)可根據(jù)情況再進(jìn)行短時(shí)的hnf各項(xiàng)同性腐蝕，在保持反射面光學(xué)特性的情況下將磁聚集結(jié)構(gòu)的針尖暴露1～2微米；

(7)進(jìn)行劃片，并采用厭氧操作箱和芯片級鍵合機(jī)進(jìn)行cs原子的充入和原子氣室的鍵合密封。

通過這些步驟，完成“mems磁聚集結(jié)構(gòu)”原子氣室的工藝設(shè)計(jì)和流片，實(shí)現(xiàn)樣品磁場的聚集和放大，得到消除樣品磁場氣室側(cè)壁衰減，提高磁場靈敏度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明通過腔共振短脈沖測量方案，可以使短脈沖磁成像過程中極化率建立時(shí)間縮短、信號對比度增強(qiáng)。

(2)本發(fā)明采用的mems磁聚集結(jié)構(gòu)原子氣室方案，在消除信號衰減的同時(shí)，可以將磁信號進(jìn)行聚集放大，從而保留原子磁測量高靈敏度的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量方法的原理示意圖；

圖2為本發(fā)明mems磁聚集原子氣室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為凹面反射鏡，2為四分之一波片，3為格蘭泰勒棱鏡，4為寬帶分光棱鏡，5為準(zhǔn)直透鏡，6為光隔離器，7為短脈沖激光器，8為ccd探測器，9為環(huán)形壓電陶瓷，10為z方向磁場線圈，11為磁聚集原子氣室，12為磁屏蔽桶，13為y方向磁場線圈，11-1為玻璃，11-2為硅，11-3為二氧化硅，11-4為磁聚集結(jié)構(gòu)陣列，11-5為堿金屬原子氣室。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1和圖2所示，一種基于腔共振和磁聚集結(jié)構(gòu)的原子磁顯微方法，該方法利用的裝置包括短脈沖激光器7、光隔離器6、準(zhǔn)直透鏡5、寬帶分光棱鏡4、格蘭泰勒棱鏡3、四分之一波片2、凹面反射鏡1、環(huán)形壓電陶瓷9、磁屏蔽桶12、磁聚集原子氣室11、z方向磁場線圈10、y方向磁場線圈13和ccd探測器8，利用894.5nm波長的短脈沖激光器7，同時(shí)被用于堿金屬銫原子抽運(yùn)和檢測，激光器脈沖功率為100w；脈沖激光依次通過光隔離器6、準(zhǔn)直透鏡5、寬帶分光棱鏡4、格蘭泰勒棱鏡3和四分之一波片2后進(jìn)入磁屏蔽桶12內(nèi)；在桶內(nèi)依次通過凹面反射鏡1、環(huán)形壓電陶瓷9、磁聚集原子氣室中的玻璃基底11-1和堿金屬原子氣室11-5，然后在氣室內(nèi)壁即硅層11-2與二氧化硅層11-3的交界面發(fā)生反射，再按照原路返回到寬帶分光棱鏡4后射入ccd探測器8內(nèi)；磁屏蔽桶12包含3層坡莫合金，可以有效屏蔽掉外界的磁場；磁場線圈10用于產(chǎn)生z方向磁場，磁場線圈13用于產(chǎn)生y方向磁場；磁聚集結(jié)構(gòu)陣列11-4與堿金屬原子氣室11-5構(gòu)成磁聚集原子氣室，并且在堿金屬原子氣室11-5內(nèi)充銫蒸汽；ccd探測器8用來檢測激光。

具體實(shí)施步驟如下：

首先用連續(xù)激光調(diào)試諧振腔使其達(dá)到共振，通過波形發(fā)生器給環(huán)形壓電陶瓷9加一鋸齒波信號，通過ccd探測器8能觀察到到梳狀譜。此后逐漸減小鋸齒波信號的幅值，同時(shí)調(diào)整鋸齒波信號的偏置，使得ccd探測器8探測到的出射激光位于梳狀譜的頂端，此時(shí)激光的波長和諧振腔的腔長l滿足公式(1)，并且諧振腔內(nèi)的光子數(shù)達(dá)到最大值；

然后將待測樣品放置在磁聚集結(jié)構(gòu)陣列8上，此時(shí)利用短脈沖激光來抽運(yùn)原子，通過ccd探測器8能夠看到樣品的極化率分布圖。

最后通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到磁場空間分布。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。