利用激光驻波场操纵中性原子沉积纳米光栅结构是一种新颖的制备纳米计量标准技术，但采用传统的一维和二维方式对激光驻波场操纵中性原子沉积过程的分析缺乏纳米光栅的全貌信息，而采用三维分析方法则能给出纳米光栅的三维全貌信息，对结果的分析越精确。针对此，基于采用三维分析方法建立了激光驻波场与中性原子作用的模型，通过三维分析实现了不同原子束发散角条件下中性原子运动轨迹及沉积结果的三维仿真，结果显示当中性原子束发散角小于0.6 mrad时，所获得的纳米光栅的沉积质量较好，而超过0.6 mrad后所沉积的纳米光栅将会出现分裂现象。

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响, 基于几何光学, 采用数值仿真的方法,研究了基片表面的倾斜度对光学势阱的影响。结果表明,当基片表面相对于激光驻波中轴线正倾斜时, 基片表面会形成一个无光场区, 使光学势阱为0, 且在z方向上光学势阱会发生一个零值突变; 当基片表面相对于驻波中轴线负倾斜时, 基片表面永远存在光场, 在z方向上光学势阱不会发生零值突变, 且光学势阱相对于z=0会出现对称现象。该研究结果对激光汇聚原子沉积实验具有指导意义。

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。

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。

采用近共振激光驻波场会聚铬原子沉积技术制作的原子光栅可以作为纳米级长度计量标准。基于粒子光学模型，综合考虑横向发散角、纵向速度分布以及同位素等影响因素，采用蒙特卡罗方法确定原子运动的初始条件，对激光驻波会聚原子的三维特性进行了研究。获得了不同激光功率下沉积条纹的三维结构，分析了纵向高斯激光分布和椭圆高斯激光截面对沉积条纹的影响。模拟结果表明，当激光功率为40 mW时，可观测的纳米光栅图案能在基板87%区域内出现，对应于高斯光束中心处条纹半峰全宽为31 nm。当高斯激光束截面为圆形时，沉积质量较好。

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。

A grating structure with period of half of the laser wavelength generated by focusing Cr atoms with nearly resonant laser standing wave atom lens was simulated using a quantum-mechanical model. The influence of thermal atomic source on atom focusing, including the statistical distribution of the longitudinal velocity and the beam divergence, was discussed. The background and full-width at half-maximum (FWHM) of atomic density peaks with vz in Maxwell distribution and vx0 in Gaussian distribution increase significantly compared with ideal atoms. Collimating atoms with laser cooling is necessary to decrease the peak broadening.

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△、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ω0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0原子沉积的影响.

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.

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54 nm,对比度16:1,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。