Metricon 2010/M棱镜耦合器

澳大利亚Metricon 2010/M棱镜耦合器描述：

Metricon 2010/M 型棱镜耦合器采用光波导技术，可快速、准确地测量介电膜和聚合物薄膜的厚度、折射率/双折射率，以及块状材料的折射率。与基于椭圆偏振法或分光光度法的传统折光仪和仪器相比，2010/M 具有独特的优势：

完全通用 – 无需了解薄膜/基板的光学特性

常规索引分辨率为 ±.0005（精度高达 ±.0001，适用于许多应用 - 参见规格）

常规索引分辨率为 ±.0003（分辨率高达 ±.00005，适用于许多应用 - 参见规格）

本体、基材或液体材料的高精度指数测量，包括双折射/各向异性

快速（20 秒）表征薄膜或漫射光波导或 SPR 传感器结构

折射率与波长的简单测量

可选择测量指数与温度 （dn/dT） 和波导损耗的关系

指数测量范围宽 （1.0-3.35）

2010/M 型是其前身 2010 型的重大改进，提供与 Windows XP/Vista/Seven 的兼容性，这是一个经过大幅改进且用户友好的基于 Windows 的控制程序，以及新的测量功能，例如能够对非常厚的薄膜进行准确的厚度和折射率测量，以及测量折射率与温度 （dn/dT） 的选项。它还消除了对 2010 所需的现已过时的 ISA 接口卡的需求。

测量理论

待测样品（下图 1）通过气动耦合头与棱镜底部接触，在薄膜和棱镜之间形成一个小气隙。激光束撞击棱镜的底部，通常在棱镜底部完全反射到光电探测器上。在入射角的某些离散值（称为模式角）下，光子可以穿过气隙进入薄膜并进入引导光传播模式，从而导致到达检测器的光强度急剧下降：

粗略地估计，第一种模式 （dip） 的角度位置决定了薄膜指数，而两种模式之间的角度差决定了厚度，从而可以完全独立地测量厚度和指数。

使用计算机驱动的旋转台进行测量，该旋转台改变入射角，并自动定位每种薄膜传播模式。一旦找到两个振型角，就可以计算出薄膜厚度和折射率。整个测量过程是完全自动化的，大约需要 20 秒。

给定折射率的薄膜支持的模式数量随着薄膜厚度的增加而增加。对于大多数薄膜/基板组合，需要 100-200 nm 的厚度来支持第一种模式，而 1 微米范围内的薄膜可以支持多达四到五种模式。如果薄膜的厚度足以支持两种或多种传播模式（通常为 300-500 nm），则 2010/M 型会计算每对模式的厚度和折射率，并显示这些多重估计值的平均值和标准偏差。

标准差计算是棱镜耦合技术独有的，是测量自洽性的指标，也是确认测量有效性的有力手段。

可以对厚度达 10-15 微米的大多数样品进行厚度和折射率的测量。对于厚度超过 15 微米的样品，仍然可以使用整体测量技术测量折射率（见下文），尽管许多样品的厚度和折射率通常在厚度高达 150-200 微米时可以测量。

当用作折光仪测量块状材料的折射率时（上图 2），样品也被夹在棱镜上，并通过测量样品/棱镜界面的临界角 θc 来确定折射率。厚度超过 10-15 微米的薄膜通常显示出明显的临界拐点角，可以作为散装材料进行测量。柔性材料易于测量，并且有一个电解池可用于液体测量。与大多数单波长（通常为 589 nm）的传统折光仪不同，2010/M 可配备多达五个激光器，从而可以在较宽的波长范围内轻松测量色散。

通过改变激光器的偏振态，可以在 x、y 和 z 方向上测量薄膜和块状材料的折射率各向异性（双折射）。

2010/M 型优势

与现有的薄膜表征方法相比，2010/M 型采用棱镜耦合技术，具有其他几个优势：

共性：2010/M 型数据分析软件是完全通用的，几乎可以测量任何薄膜，而无需了解薄膜或基材的光学特性。

索引精度、分辨率和稳定性：棱镜耦合技术为薄膜测量提供了比任何其他薄膜测量技术更高的索引精度和分辨率。此外，由于折射率测量仅对棱镜的耦合角和折射率敏感（不随时间变化），因此棱镜耦合测量随着时间的推移非常稳定，因此无需定期校准 2010/M。

对波长随索引变化引起的误差不敏感：每片胶片的折射率随波长而变化。在依赖分光光度法（干涉与波长）的技术中，如果不能准确知道薄膜在整个波长范围内的折射率变化，将导致大量误差。此外，许多薄膜的折射率与波长曲线高度依赖于薄膜沉积条件。对于此类薄膜，2010/M 型的单色测量具有明显的优势。如果必须测定各种波长的折射率，则 2010/M 型可以配置多达五个激光器，并且可以在不到 5 秒的时间内从单个折射率测量中生成连续的折射率与波长曲线。

与椭圆偏振法相比的优势：由于椭偏仪数据随薄膜厚度呈周期性变化，因此单波长椭圆偏振仪需要预先了解薄膜厚度，精度为 ±75 至 ±125 nm，具体取决于薄膜指数。2010/M 型可直接测量厚度，不需要事先了解薄膜厚度。此外，在某些周期性厚度范围内，使用单波长椭圆偏振仪进行折射率测量是不可能的。使用 2010/M，一旦薄膜厚度超过某个最小阈值（通常为 300-500 nm，取决于薄膜/基板类型），即可获得全精度指数测量值。多波长椭圆偏振仪为精确的薄膜测量提供了潜力，但数据分析非常复杂，通常只有在对样品的光学参数有广泛的预先了解的情况下才能获得良好的结果。

材料色散的简单“光谱”测量：2010/M 型可在离散激光波长处测量折射率，通常配备 1-5 个激光器。对于具有三个激光器的系统，Metricon® 使用新颖的拟合技术开发了软件，可以在短短几秒钟内计算出扩展波长范围（例如 400-700 nm 或 633-1550 nm）内极其精确的折射率与波长曲线。四个或五个激光系统分别在 400-1064 和 400-1550 nm 范围内提供精确的色散曲线。在大多数情况下，在中间波长下计算的指数值与激光在该波长下测量的指数几乎相同。

在透明基材上的测量：2010/M 型可用于测量透明基板上的薄膜，即使薄膜和基板之间的折射率匹配相对较近。此外，棱镜耦合技术对来自基板背面的反射不敏感，这在椭圆偏振法和其他薄膜测量技术中通常很麻烦。

内部自洽检查：如果薄膜厚度超过 500-750 nm，则对薄膜厚度和指数进行多个独立估计，并显示这些多个估计的标准差。只要测量标准偏差较低（厚度通常为 0.3%，指数为 0.01%），则不太可能出现明显的误差。没有其他技术对每次测量的有效性提供类似的 “置信度检查”。

更轻松、更准确地测量散装物料的指数：2010/M 可以在 x、y 和 z 方向上测量 1.0 至 3.35 的折射率，并且测量是全自动的，没有传统折光仪常见的操作员主观性。2010/M 不需要使用杂乱、有毒或腐蚀性的匹配液体，并且可以处理光学平整度或抛光度相对较差的样品（甚至可以测量略微圆润的铸造“斑点”）。

2010/M 的限制

厚度必须足以支持两种或多种传播模式。在 633 nm 的测量波长下，这为高折射率衬底（例如硅或 GaAs）上的薄膜确定了 300 至 500 nm 的厚度下限。对于较低折射率基底上的薄膜，最小厚度限制可以降低多达 2 倍，如果假设薄膜折射率，通常可以对薄至 100-200 nm 的单模薄膜进行仅厚度测量。通过首先测量较短波长（如 633 nm）的厚度和折射率，可以准确测量较长波长（例如 1310 或 1550 nm）的单模薄膜。然后，可以在较短波长处测得的厚度与在较长波长下测得的单模一起使用，以提供准确的指数测量。

如果薄膜厚度低于最小可测量阈值，则不会进行错误测量，而 2010/M 只会通知用户无法进行测量。上述最小厚度限制只是近似值，详细取决于薄膜和基材的折射率以及测量波长。

另一个限制是基于棱镜耦合技术涉及与被测表面的接触这一事实。因此，对于需要高清洁度的应用，通常在非产品测试样品上进行 2010/M 型测量。

可测量薄膜/基材

大多数 2010/M 型应用都围绕着快速准确地测量通过等离子体、低温或其他沉积方法沉积的可变折射率薄膜的需求，或测量科学文献中数据很少的新型或不寻常的薄膜或散装材料的需求。对于这些应用，2010/M 型提供针对任何折射率变化进行全面校正的厚度测量。

几乎可以测量任何在测量波长下不强吸收的薄膜，只要薄膜足够厚以支持至少两种光传播模式（有关典型的最小厚度，请参阅规格）。薄膜几乎可以在任何基材上测量，包括高折射率或吸收性基材，如硅或金属。实际上，任何在测量波长下不强吸收的块状材料也是可以测量的。以下是 Metricon® 系统测量的具有代表性的薄膜和基材或散装材料类型列表（以下任何薄膜材料的独立薄膜或散装样品也可测量）：

薄膜：SiO2（掺杂和未掺杂）、氮化硅、等离子体 SiN、氮氧化硅、光刻胶、聚酰亚胺、聚酰胺、液晶、PMMA、全息凝胶、溶胶凝胶、硅、SiC、金刚石、落射石榴石、电光聚合物、AlGaAs、BaTiO3、GaN、InP、ITO、KTP、MgO、PZT、PLZT、Si、Ta2O5、TiO2、YIG、ZnS、ZnSe、ZnCdSe、ZnMnTe、ZnMgTe。

块状或基材：石英、光学玻璃、硫系玻璃、蓝宝石、PET、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、LiNbO3、LiTaO3、SiC、ZnS、GaP、GGG、MgO、YAG等激光晶体。

准确性和便利性

总之，2010/M 型是一款将精度与生产工具的速度、便利性和多功能性相结合的仪器。无需事先了解胶片参数，在 20 秒的自动测量中，2010/M 提供了常规的索引精度和分辨率，充其量只能通过昂贵和笨重的研究仪器来达到。

2010/M 独立测量厚度和折射率，因此厚度测量针对折射率变化进行了完全校正。此外，测量的厚度是直接的（而不是增量的），因此无需预先确定薄膜的大致厚度或干涉顺序。2010/M 在测量较厚的薄膜、透明基材上的薄膜方面也具有明显的优势，并且没有无法进行折射率测量的周期性厚度范围。所有这些优点都是完全通用的，既适用于普通材料，也适用于以前从未表征过的新型材料。

2010/M 规格

索引精度：±.0005（坏的情况）。绝对折射率精度主要受到确定测量棱镜角度和折射率的不确定性的限制。对于光学质量合理的样品，如果使用高分辨率表格，并且如果用户愿意对每个棱镜执行简单的校准程序，则可以实现 ±.0001-.0002 的绝对折射率精度。NIST、熔融石英和其他标准品可用于指数校准。

索引分辨率：±.0003（坏的情况）。对于光学质量合理的样品，通过使用高分辨率转台（一种免费选项），可以将索引分辨率提高到 ±.00005（见下文）。

厚度精度：±（0.5% + 5 nm）

厚度分辨率：±0.3%

工作波长：低功率 （0.8 mw） He-Ne 激光器 （632.8 nm），CDRH II 类。提供用于测量较薄薄膜的可选较短波长（405、450、473、532、594 nm）和用于光纤/集成光学应用的近红外（830、980、1064、1310、1550 nm）波长。可选离子源将 CDRH 安全等级更改为 IIIa 或 IIIb。

典型测量时间：使用标准工作台 10-25 秒，使用高分辨率工作台 20-75 秒。

测量区域：虽然薄膜和测量棱镜在大约 8 mm 见方的面积上接触，但实际测量的薄膜面积直径仅为 1 mm。

折光率测量范围：使用标准棱镜，可以测量折射率为 2.65 及以下的薄膜和块状材料。专用棱镜可用于高达 3.35 的指数测量。

可测量的薄膜类型/厚度范围：2010/M 型几乎可以测量任何非金属或在工作波长下具有非常高吸收性的薄膜类型。在许多情况下，只要顶部薄膜具有较高的折射率，双膜层的一个或两个薄膜的厚度和折射率是可测量的*。厚度必须超过最小阈值，该阈值取决于薄膜和基材（或底层薄膜）指数。在标准 （633 nm） 工作波长下，常见单层或上层薄膜类型可测量的厚度范围示例（对于其他薄膜类型，在具有接近折射率的示例薄膜之间进行插值）：

散装材料/厚膜的仅折射率测量：材质必须是透明或半透明的。使用标准棱镜可测量的最大折射率为 2.65（使用高折射率棱镜时为 3.35）。精度和分辨率与薄膜测量相同（见上文）。批量测量的典型测量时间为 10-20 秒。

基材/尺寸：几乎可以在任何抛光衬底材料上进行薄膜测量，包括硅、GaAs、玻璃、石英、蓝宝石、GGG 和铌酸锂，样品几乎可以是任何尺寸或形状。标准装置可接受最大 8 英寸（200 毫米）见方的样品。

棱镜类型：四种标准棱镜类型可用于测量各种折射率范围内的薄膜。棱镜可在大约一分钟内轻松互换，从而允许在单个系统中使用多种棱镜类型：

旋转台步长：3.0 或 1.5 分钟，键盘可选。更高分辨率的样品台（0.9/0.45 或 0.6/0.3 分钟）也可作为免费选件提供。当薄膜厚度超过 5-7 微米时，或者当需要提高索引分辨率和准确性时，建议使用更高分辨率的表格。

主要选项：提供允许测量波导损耗和确定指数与温度（高达 150-200º C）的选项。VAMFO 选项仅允许对厚度进行非接触式测量。

PC 要求：可在 Windows 98、2000、XP、Vista 或 Seven 上运行。RS232 串行 （COM1） 端口必须可用，并且其他应用程序无法访问。

所需服务：用于激光电源、接口模块、打印机（每个 0.5 安培）和 PC（2.0 安培）的 100-250 VAC 插座。60 psi 空气 （0.01 cfm）。该装置可以安装在普通工作台上 — 不需要隔振。

尺寸：整个系统安装需要 45 英寸（108 厘米）宽、27 英寸（61 厘米）深、15 英寸（38 厘米）高的区域。系统总重量（包括计算机在内）为 92 磅（41 千克）。单个尺寸/重量：

光学模块：宽 15 英寸（38 厘米），深 22 英寸（56 厘米），高 12 英寸（30 厘米）/40 磅（18 千克）。

电脑/显示器：宽 40 厘米（16 英寸）、深 38 厘米（15 英寸）、高 38 厘米（15 英寸）/22 千克（50 磅）。

接口：宽 10 英寸（25 厘米），深 7 英寸（18 厘米），高 3 英寸（8 厘米）/2 磅（1 千克）。

2010/M 型号订购/选件指南