CN105705935A - 测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃的模谱的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

揭示了用于测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃基材的模谱的设备和方法。在耦合棱镜和玻璃基材之间提供界面化流体。对界面化流体厚度进行选择从而使得随着流体厚度的模式双折射的变化降低至可接受水平。耦合棱镜可以在耦合表面上包含棱镜涂层，从而基材-棱镜界面包括棱镜涂层。耦合棱镜还可包括远离化元件，其作用是限定界面化流体的厚度。

Description

测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃的模谱的设备和方法
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119，要求2013年10月30日提交的美国临时申请系列第61897546号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本发明涉及对离子交换玻璃进行表征，具体来说，涉及对具有陡峭且浅的近表面折射率区域的离子交换玻璃的模谱(modespectra)进行测量的设备和方法。
可以通过离子交换工艺对某些类型的玻璃和玻璃陶瓷进行化学强化。由于形成了近表面压缩层导致强化，这通常产生应力诱发的双折射。双折射进而对应于玻璃中的折射率曲线的偏振依赖性变化。离子交换过程通常改变了折射率曲线，其形状对应于扩散进入玻璃中的离子浓度。应力通过应力光学系数与双折射线性相关。
对于具有抗微生物(AM)表面性质的化学强化玻璃存在不断增加的商业兴趣。可以采用双离子交换(DIOX)过程来制造此类玻璃，其中，进行第一离子交换(IOX)过程来进行强化。IOX过程涉及用较大的碱性离子(例如K+)来交换原始基底(块体)玻璃中存在的较小碱性离子(例如Na+或Li+)。第一IOX过程之后是第二IOX过程，其包括抗微生物离子(例如Ag+)。在某些情况下，可以同时供给两种交换离子(即，较大的碱性离子和抗微生物离子)。所得到的折射率曲线包括陡峭且浅的近表面区域，之后是没有那么陡峭且较深的区域。
采用棱镜耦合对离子扩散的玻璃进行表征的光学方法以及对得到的模谱进行分析是本领域已知的。但是，现有技术的棱镜耦合系统和方法不能令人满意地测量折射率曲线的陡峭且浅的近表面区域的模谱。
具体来说，在现有技术中，通过化学强化离子交换获得并且通过高分辨率模谱测量系统测得的折射率范围通常小于约0.02RIU(折射率单位)。该有限的范围使得现有技术系统和方法能够利用光检测器处测得的模谱位置和模有效折射率(modeeffectiveindex)之间的线性近似。但是，由于抗微生物玻璃的折射率曲线特性通常具有超过或者远超过0.03RIU的折射率范围，线性近似变得没有那么准确并导致计算折射率和应力曲线中的系统误差，特别是在基材表面处和近基材表面处。
甚至更重要的是，用于测量应力的现有技术系统无法检测折射率曲线的陡峭近表面区域中的传播光模，或者在一些情况下，无法以对于实际有用的应力测量的足够精度来对它们进行检测。基于激光源并且采用施加到基材的旋转棱镜和活塞的不同类型棱镜耦合系统可用于检测折射率分布的浅且陡峭折射率的模式，但是它们不具有对于应力测量所需的精度也没有适合解析部分主要在折射率曲线的较不陡峭和较深区域中传播的模式的分辨率。
发明内容
本发明的第一个方面是对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面以及具有陡峭且浅的近表面区域R1的折射率曲线。该方法包括：使得折射率np的耦合棱镜与基材表面界面化(interfacing)以限定棱镜-基材界面，在耦合棱镜和基材表面之间具有折射率nf和厚度d1的界面化流体，其中，nf≤ns<np，其中，区域R1满足其中，λ是测量光的测量波长；其中，TM和TE模谱分别包括第一和第二最低阶模(即，基模(fundamentalmode)和次最高阶模(next-highest-ordermode))，以及选择厚度d1位于如下厚度范围内，使得在存在耦合棱镜的情况下至少测得的TM和TE模谱的第一和第二最低阶模的模式双折射在该厚度范围内保持基本不变；以及将测量光导向通过耦合棱镜并通过界面化流体进入基材表面，并数字式地俘获从棱镜-基材界面反射的TE和TM模谱。
本发明的另一个方面是对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面以及具有陡峭且浅的近表面区域R1的折射率曲线。该方法包括：使得折射率np的耦合棱镜与基材表面界面化(interfacing)以限定棱镜-基材界面，耦合棱镜具有耦合表面，所述耦合表面具有厚度为d2且折射率为nc的涂层，其中，0.2λ≤nc·d2≤0.8λ；在棱镜涂层和基材表面之间提供折射率为nf且厚度为d1的界面化流体，其中，nc≤nf≤ns<np，其中，区域R1满足其中，λ是测量光的测量波长；以及将测量光导向通过耦合棱镜并通过界面化流体进入基材表面，并数字式地俘获从棱镜-基材界面反射的TE和TM模谱。
本发明的另一个方面是用于测量离子交换波导的模谱的棱镜耦合系统的耦合棱镜，所述离子交换波导具有折射率ns和表面。耦合棱镜包括：耦合棱镜体，其具有折射率np以及输入表面、输出表面和耦合表面；以及耦合表面上的棱镜涂层，棱镜涂层的厚度为d2且折射率为nc，其中，0.2λ≤nc·d2≤0.8λ。
在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
附图说明
所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本发明，图中：
图1A是平坦基材形式的示例性DIOX玻璃基材的放大图；
图1B是图1A的DIOX基材沿x-y平面得到的横截面特写图，显示在基材表面上发生双离子交换过程并进入基材体中；
图1C示意性显示形成DIOX基材的DIOX工艺的结果；
图2是图1C所示的DIOX基材的示例性折射率分布n(x)图；
图3A是根据本发明的示例性棱镜耦合系统的示意图；
图3B是图3A的棱镜耦合系统的光检测器系统的特写图；
图3C是图3B的光检测器系统俘获的TM和TE模谱的示例图；
图4A是采用厚度为d1且折射率为nf的界面化流体，使得示例性耦合棱镜与离子交换基材界面化的放大图；
图4B是耦合棱镜、界面化流体和基材的折射率分布n与距离x的关系图，其包括浅且陡峭的近表面折射率区域R1，之后是较深且较不陡峭的折射率区域R2；
图5是对于界面化流体的不同折射率nf值，基于模拟的最低阶(即，零阶)TM和TE模的模式双折射B0与界面化流体的厚度d1(nm)的关系图；
图6A类似于图4A，显示在基材-棱镜界面处使用远离化(stand-off)元件(“远离件”)来限定界面化流体的厚度的例子；
图6B类似于图6A，显示耦合表面上的远离化元件相对于输出表面侧比相对于输入表面侧更为集中的例子；
图7A类似于图4A和6B，显示耦合棱镜在耦合表面上包括棱镜涂层的例子；
图7B类似于图4B，显示耦合棱镜、棱镜涂层、界面化流体和基材的折射率分布n与距离x的关系图；以及
图8类似于图5，显示零模B0和第一阶模B1的模式双折射B与(厚度为d2的)棱镜涂层和(厚度为d1的)不同界面化流体折射率nf值的界面化流体的总厚度T(nm)的关系图。
出于便于显示和讨论的缘故在某些附图中显示笛卡尔坐标，它们并不旨在相对于方向或朝向进行限制。
具体实施方式
下面详细描述本发明的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图不一定成比例，并且本领域技术人员会理解对附图做出简化以显示本发明的关键方面。
如下所附的权利要求书结合在该具体实施方式中并构成其部分。
本文所提及的任意公开出版物或专利文件的全文通过引用结合，包括题为“用于测量离子交换玻璃的应力分布的系统和方法(Systemsandmethodsformeasuringthestressprofileofion-exchangedglass)”的美国专利申请序列号13/463,322，题为“用于测量玻璃和玻璃陶瓷中的双折射率的系统和方法(Systemsandmethodsformeasuringbirefringenceinglassandglass-ceramics)”的美国临时专利申请序列号61/706,891，以及题为“对于双离子交换玻璃具有改进的模谱对比的棱镜耦合方法(Prismcouplingmethodswithimprovedmodespectrumcontrastfordoubleion-exchangedglass)”的美国临时专利申请序列号61/835,823。
图1A是平坦离子交换基材20形式的示例性玻璃基材的放大图，其具有主体21和(顶)表面22，其中，主体具有基底(块体)折射率ns和表面折射率n0。图1B是基材20沿x-y平面得到的横截面特写图，显示在表面22上发生双离子交换(DIOX)过程并以x方向进入主体21中。
图1C示意性显示形成离子交换基材20的双离子交换过程的结果。离子交换基材20包括主体21中的基材离子IS，其与第一离子I1和第二离子I2发生交换。可以采用已知技术，以依次进行或者同时进行的方式，将第一和第二离子I1和I2引入玻璃主体中。例如，第二离子I2可以是通过KNO3浴引入的K+离子，用于进行强化；在这之后引入的第一离子I1可以是随后通过AgNO3浴引入的Ag+离子，以增加抗微生物性质的相邻表面22。图1B中表示离子I1和I2的圆圈仅是示意性的，它们的相对尺寸不一定表示参与离子交换的实际离子尺寸之间的任意实际关系。
此外，在区域R1和R2这两者中都可以存在显著数量的离子I1，I2类型离子也可以如此。即使采用单步骤离子交换过程，也可以观察到形成两个区域R1和R2，它们的离子I1和I2的相对浓度具有明显差异。在一个例子中，采用使得含钠玻璃在含有KNO3和AgNO3的混合物的浴中进行离子交换，可以获得对于Ag+和K+这两者都具有显著浓度的区域R1以及对于Ag+和K+这两者也都具有显著浓度的区域R2，但是相比于区域R2，在区域R1中，Ag+相对于K+的相对浓度可明显较大。
图2是诸如图1C所示的离子交换基材20的示例性折射率分布n(x)图。折射率分布n(x)包括与较浅的离子交换(离子I1)相关的第一区域R1，其进入主体21的深度为D1。折射率分布n(x)具有与较深离子交换(I2)相关的第二区域R2，其具有深度D2。在实践中，可以在所述较浅区域之前产生所述较深区域。区域R1与基材表面22相邻，并且较为陡峭和浅(例如，D1为数微米)，而区域R2较不陡峭并且延伸进入基材较深(例如，D2可以约为20-50微米)。在一个例子中，区域R1在基材表面22处具有最大折射率n0，并且陡峭地递减至中间折射率ni，而区域R2更为缓和地从中间折射率ni递减下降至基材(块体)折射率ns。强调的是，其他离子交换过程可以导致陡峭且浅的近表面折射率变化，本文以示意性方式来讨论双离子交换过程。
在一个例子中，本文所揭示的方法采用下文所述的棱镜耦合系统，来对离子交换基材20进行光学测量。此类系统是本领域通常已知的，适用于改性以进行本发明方法的示例性系统参见题为“用于测量离子交换玻璃的应力分布的系统和方法(Systemsandmethodsformeasuringthestressprofileofion-exchangedglass)”的美国专利申请序列号13/463,322以及题为“用于测量玻璃和玻璃陶瓷中的双折射的系统和方法(Systemsandmethodsformeasuringbirefringenceinglassandglass-ceramics)”的美国专利申请序列号第61/706,891所述。
对于具有陡峭且浅的折射率分布(陡度表征为如下条件：具体来说，当时，特别是当时)的近表面折射率区域R1，现有技术的棱镜耦合系统对于以高精度解析TM和TE模谱具有极大的困难。随着深度x的增加，折射率分布n(x)通常下降，但是其可能具有随着深度增加折射率是平坦或者甚至增加的部分区域。例如，可能存在非常浅的区域(例如，100nm，明显薄于玻璃中的光波长)，其中，折射率n(x)可能随着深度x而增加，之后在较大深度才开始下降。
在示例性实施方式中，本文所揭示的系统和方法被用于近表面区域R1(参见图4B)，其满足条件或者以及在其他实施方式中，满足条件
由于与耦合共振(即，光谱线或者模线)相反的明显变宽和相关下降，难以解析TM和TE模谱。相信该变宽是由于模式(mode)和耦合棱镜40之间由于界面化流体52作为介导的过度耦合，以及模式(mode)的“泄漏”特性所导致的。具体来说，相比于高阶模，低阶模(其限制在靠近基材顶表面22)在表面处，每单元传播长度经受更多的回弹反射。因此，随着传播，这些模式快得多地失去它们的能量，经受明显损耗，这是由于在每次回弹反射时，进入界面化流体52和耦合棱镜40(以及离开波导区域R1)的部分光的折射所导致的。
这使得当尝试应用现有技术测量方法时，对离子交换基材20进行TE和TM模谱处理存在问题。此外，减小的模谱对照还使得采用对TE和TM折射率分布开方(extraction)的方法(包括但不限于逆温策尔-克拉默斯-布里渊(inverseWentzell-Kramers-Brillouin)(IWKB)方法)来计算双折射率时存在问题，并且事实上，对于应力以及层深度(DOL)产生不正确的结果。
棱镜耦合系统
图3A是示例性棱镜耦合系统(“系统”)10的示意图，其适用于进行本文所揭示的对离子交换基材20的TE和TM模谱进行测量的方法，所述离子交换基材20含有陡峭且浅的近表面区域R1。在一个例子中，离子交换基材20由化学强化玻璃构成，例如美国纽约州康宁市的康宁有限公司制造的玻璃。
系统10包括构造成装纳基材20的基材固定器30。但是，在替代实施方式中，不需要基材固定器30。系统10还包括耦合棱镜40，其包括输入表面42、耦合表面44和输出表面46。耦合棱镜40具有折射率np>ns。通过使得耦合-棱镜耦合表面44与基材顶表面22发生光接触，将耦合棱镜40与基材20界面化，从而限定了基材-棱镜界面(“界面”)50，其包括界面化流体52。下面讨论耦合棱镜40是如何与离子交换基材20进行界面化的细节。
在一个示例性实施方式中，耦合棱镜40具有不规则四边形、弯曲或其他横截面形状，而不是图3A中以示意性方式所示的三角形横截面形状。术语“弯曲”在这里指的是输入表面42和/或输出表面46可以是弯曲的情况，例如，圆柱体或球形表面。
继续参见图3A，系统10包括光轴A1和A2，它们分别通过耦合棱镜40的输入和输出表面42和46，在考虑了棱镜/空气界面处的折射之后，大致在界面50处会聚。沿着轴A1的顺序，系统10包括：光源60(其发射波长为λ的测量光62)、任选的滤光器66(其可以作为替代方式包括在轴A2的检测器路径中)、任选的光散射元件70(其形成散射光62S)以及任选的聚光系统80(其形成聚焦光(测量光)62F)，如下文所解释。因此，在系统10的一个例子中，在光源60和棱镜输入表面42之间没有光学元件。
沿着轴A2的顺序，系统10还包括：耦合棱镜40、集光系统90(其具有焦平面92和焦距长度f，并且其接收反射光62R，如下文所解释)、TM/TE偏振器100以及光检测器系统130。轴A1限定了光源60与耦合-棱镜耦合表面44之间的光路OP1的中心。轴A2限定了耦合表面44与光检测器系统130之间的光路OP2的中心。注意的是，由于折射，轴A1和A2可以分别是在输入表面42和输出表面46处弯曲的。它们也可通过光路OP1和/或OP2之间插入的镜子分裂成子路。
在一个例子中，光检测器系统130包括检测器(照相机)110和帧接收器120。在下文的其他实施方式中，光检测器系统130包括CMOS或CCD照相机。图3B是光检测器系统130的TM/TE偏振器和检测器110的特写放大图。光检测器系统130包括光敏表面112。光敏表面112位于集光系统90的焦平面92内，光敏表面大致垂直于轴A2。这起到了将离开耦合棱镜输出表面46的反射光62R的角度分布在照相机110的传感平面转变成光的横向空间分布的作用。在一个示例性实施方式中，光敏表面112包括像素，即检测器110是数字式检测器，例如，数码照相机。
将光敏表面112分割成TE和TM区段112TE和112TE，使得能够对反射光62R的TE和TM偏振的角度反射谱(模谱)的数字图像进行同时记录。该同时检测消除了测量噪音来源，其可能是由于在不同时间进行TE和TM测量引起的，假定系统参数可以随时间偏移。图3C是光检测器系统130俘获的TM和TE模谱的示例图。TM和TE模谱是由具有相应宽度WTM和WTE的相应谱线115TM和115TE构成的，如下文进一步详述。
示例性光源60包括激光、发光二极管和更宽带宽光源，例如热丝灯和石英灯。通过光源60产生的光62的示例性工作波长λ可以包括近紫外波长、可见光波长和红外波长。
系统10包括控制器150，其配置成控制系统的运行。控制器150还配置成从光检测器系统130接收并处理图像信号SI，其是俘获的TE和TM模谱图像的代表。控制器150包括处理器152和存储单元(“存储器”)154。控制器150可以经由光源控制信号SL来控制光源60的激活和运行，并且从光检测器系统130(例如，从帧接收器120，如所示)接收并处理图像信号SI。
在一个例子中，控制器150包括电脑并且还包括读取装置，例如软盘驱动器、CR-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)装置(未示出)，或者包含网络连接装置如以太网装置(未示出)的任意其他数字装置，用于从电脑可读取的介质，例如软盘、CD-ROM、DVD、MOD、闪存驱动器或者其他数字源，如网络或互联网读取指令和/或数据。控制器150配置成执行储存在固件和/或软件(未示出)中的指令，包括信号处理指令，来进行本文所揭示的表面双折射/应力测量。在例子中，术语“控制器”和“计算机”是可互换使用的。
控制器150可以编程以执行本文所述的功能，包括系统10的运行以及上文所述的图像信号SI的信号处理，从而实现基材20的应力特性的测量，例如，应力分布S(x)、双折射或者压缩应力CS。本文所用术语“计算机”不仅限于在本领域称作计算机的集成电路，而是宽泛地表示计算机、处理器、微控制器、微电脑、可编程逻辑控制器、特定应用集成电路以及其他可编程电路，这些术语在本文可互换使用。
软件可以执行或者有助于本文所揭示的系统10的运行性能，包括上文所述的信号处理。软件可以以可操作的方式安装在控制器150中，具体来说，安装在处理器152和存储器154中。软件功能可涉及编程，包括可执行代码，以及可用于执行本文所揭示方法的此类功能。可以通过下文所述的通用计算机或者处理器单元来执行此类软件代码。
在操作中，将代码以及可能的相关数据记录储存在通用电脑平台内，储存在处理器152和/或存储器154中。但是，在其他情况下，可以将软件储存在其他位置和/或传输用于装载在合适的通用电脑系统中。因此，本文所述的实施方式涉及至少一种机器可读取的介质携带的一种或多种代码模块形式的一个或多个软件产品。通过计算机系统150的处理器152或者通过处理器单元来执行此类代码使得平台能够以基本上来说本文所述和所示的方式实现编目和/或软件下载功能。
控制器150和/或处理器152可分别采用计算机可读取介质或者机器可读取介质(例如，存储器154)，其指的是参与为处理器提供执行指令的任意介质，包括例如，确定基材20的表面双折射/应力的量或者应力分布S(x)。存储器154由计算机可读取介质构成。该介质可具有许多形式，包括但不限于，非永久性介质、永久性介质和过渡介质。永久性介质包括例如光盘或磁盘，例如，上文所述的服务器平台之一的任意计算机运行中的任意存储装置。非永久性介质包括动态存储器，例如，此类计算机平台的主存储器。物理过渡介质包括同轴光缆、铜线和光纤件，包括在计算机系统内的母线的线。
因此，常用形式的计算机可读取介质包括例如，软盘、软碟、硬盘、磁带、闪存驱动器以及任意其他磁性介质；CD-ROM、DVD以及任意其他光学介质；较不常用的介质例如穿孔卡片、纸带以及任意其他具有孔图案的物理介质；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM以及任意其他存储芯片或筒；载波传输的数据或指令，光缆或连接件用于从可以读取编码和/或数据的计算机传输此类载波或者任意其他形式的媒体。许多这些形式的计算机可读取媒介可用于将一个或多个指令的一个或多个序列运载到处理器152进行执行。
在一个例子中，将控制器150编程为基于测得的模谱来确定可离子交换基材10的至少一个特性。示例性特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深度、折射率分布和双折射。在一个例子中，将控制器150编程为进行如下文章中所揭示的计算：A.Brandenburg，“离子交换玻璃波导中的应力(StressinIon-ExchangedGlassWaveguides)”，光波技术期刊(JournalofLightwaveTechnology)，第LT-4卷，第10期，1986年10月，第1580-93页。
系统10可以是商用棱镜耦合仪器的改良版本，例如日本东京折原实业有限公司(OriharaIndustrialCo.,Ltd.,ofTokyo,Japan)制造和销售的FSM-6000棱镜耦合仪器。FSM-6000仪器代表了本领域在平坦离子交换玻璃中的高通量非损坏性应力测量的状态，其采用589nm处棱镜折射率np＝1.72的耦合棱镜40。FSM-6000采用折射率nf＝1.64的折射率匹配流体。在FSM-6000仪器中，从前两个横向磁场(TM)和前两个横向电场(TE)模式的有效折射率neff来计算表面压缩应力(CS)，同时基于线性折射率分布假定，观察模式的总数与基材折射率和前述前2个模式的有效折射率一起用于层深度(DOL)计算。
界面化流体
图4A是采用界面化流体52使得耦合棱镜40与离子交换基材20界面化的特写横截面图。显示耦合棱镜角α，以及耦合角θ、离开角β2和表面法线N。界面化流体52具有厚度d1以及前述的流体折射率nf。示例性类型的界面化流体是油，例如，折射率匹配的油。
图4B是折射率n与x的关系图，其中x＝0表示离子交换基材20的顶表面22。图4B表示耦合棱镜40、界面化流体52和离子交换基材20的示例性折射率结构。耦合棱镜40(np)、界面化流体52(nf)和离子交换基材(ns)的折射率满足如下条件：nf<ns<np，对于np>neff和nf<neff，其中，neff＝np·sin(θ)是与给定角θ相关的模式的有效折射率。对于这些条件，系统10可以产生暗线棱镜耦合TM和TE模谱，相比于常规系统10构造而言，其对于最低阶模具有改进的对比度和降低的线宽。界面化流体折射率nf应该低于寻求进行测量的有效模折射率的最低值。如果所有的导模都以高对比度进行观察的话，则nf应该低于待测量的有效折射率的所有情况。在一个例子中，nf应该低于玻璃的块体折射率ns，其代表了对于所有模式的有效折射率的近似下限。
使用界面化流体52本身不是作为折射率匹配层，而是作为“潜在阻隔”，其参数可用于控制耦合棱镜40和基材20之间的测量光62F的耦合强度。以这种方式，尽管每单元传播长度具有大量回弹反射，可以使得与近表面模式相连的测量光62F的强度随着传播距离较缓慢地衰减。相比于使用折射率匹配流体的情况，这可以实现更窄和更深(因而更锋利)的耦合共振。出于该目的，作为选择具有高于测量模式的折射率的油的替代，选择折射率低于测量模量的折射率的界面化流体53，即nf<neff。
在一个示例性实施方式中，界面化流体52的厚度d1至少与防止过耦合的阈值厚度d1TH一样大，限制了会由于模式双折射Bm对于厚度d1的高度敏感性所引起的误差。具体来说，该方法会依赖于拒绝模式谱线15TM和/或115TE，其中模式(特别是低阶模式)的任意耦合共振宽于某一预先确定值。
如上文关于图3C所注意到的，模谱的谱线115TM和115TE具有相应的宽度WTM和WTE。在一个例子中，在半峰全宽(或者暗线共振的半峰全宽)处测量宽度WTM和WTE，其中，WTM<0.0004RIU以及WTM<0.0004RIU，其中，RIU代表折射率单位，其表示相应有效折射率的变化。在另一个例子中，WTM<0.0002RIU以及WTM<0.0002RIU。
图5是基于数值模拟的界面化流体52的厚度d1(nm)与最低阶模式双折射B0＝neff(TE0)-neff(TM0)的关系图。对于基于浅Ag+离子扩散基材的基模有效折射率，在λ＝633nm处计算双折射B0，透镜折射率np＝1.72以及基材折射率ns＝1.5。假定理论上形成的波导是不含应力的，以确定具体来说由于界面化流体52和邻近的耦合棱镜40的存在所诱发的模式双折射。
图5显示对于最低阶模式，由于表面边界条件所诱发的模式双折射是如何依赖于对于不同nf值的厚度d1以及d1的范围。nf的每条曲线具有对应的厚度d1，超过该厚度d1，模式双折射B0变平。该信息可用于建立阈值厚度d1TH，该阈值厚度d1TH确保了模谱测量是在模式双折射对于界面化流体52的厚度d1处于低灵敏度的区域内。
在一个例子中，阈值厚度d1TH是基模B0和/或第一阶模B1的模式双折射B在由“无限”厚度(例如，比光波长大许多倍的厚度)计算的它们各自的渐近值的0.0002RIU之内。在另一个例子中，阈值厚度d1TH是基模的模式双折射B0和第一阶模的模式双折射B1同时都是在它们各自的渐近值20％之内，对于远大于测量光62F的波长的厚度而言。在另一个例子中，对阈值厚度d1TH进行选择，使其近似于如下厚度，超过该厚度的话，模式双折射B0和B1近似在它们渐进值的Btol之内(优选0.7Btol)，其中，其中，ΔS是所需的表面应力估计的精确度，以及SOC是应力光学系数。
在B0随着厚度d1弱变化的区域内，在低于临界角(neff<ns)的反射光62R的强度通常大于约50％(对于TM偏振光而言)以及大于约60％(对于TE偏振光而言)，模拟条件涉及棱镜的np＝1.72，以及基材的ns＝1.5。模拟假定无限大平面介质和无限大光束，从而反射全(100％)高于临界角。光强度在低折射率介质中呈指数衰减。
在许多实际测量条件下，测量光62F的照明可以产生大量非耦合寄生背景光，通过光检测器系统130在监测角β2范围内的角度对其进行检测。该寄生背景光导致TM和TE模谱对比度的下降。当对于实际系统考虑此类背景时，在对应于neff<ns的像素位置的检测强度可能需要超过入射(或总反射)强度的70％、80％或者甚至90％，以确保将过耦合足够地限制到由界面化流体52所诱发的模式双折射B可以通过将其视作简单恒定模式双折射被适当地进行考虑的水平。
当厚度d1处于对于模式双折射B的高灵敏度区域内时，限制在陡峭且浅的折射率区域R1的低阶TM和TE模式的共振明显变宽，相比较于当d1处于低灵敏度区域而言。因此，如果如上文所述将耦合共振的宽度保持在低于某一最大可接受值，则可以确保获得低灵敏度区域，以及当计算应力时，可以容易地对模式双折射B进行考虑。
随着厚度d1的模式有效折射率neff的变化与模式双折射B是相同量级，对于玻璃中的离子交换产生的波导，通常覆盖10-4或10-3的量级范围，这取决于靠近顶表面22的模限制水平以及低折射率界面介质与基材表面之间的折射率差异。更大范围的模折射率是可能的，特别是对于折射率大于玻璃基材的半导体基材而言。预期随着厚度d1的模式有效折射率neff的变化通常来说会略大于对应的模式双折射B的变化。
存在获得界面化流体52的适当厚度d1的实际方式。在一个例子中，耦合表面44和基材表面22保持干净，或者在紧接接触之前擦拭干净。在一个实施方式中，事先计算获得所需厚度d1的均匀层所必需的界面化流体52的体积，其是d1与耦合棱镜40的耦合表面44的接触面积AP的乘积。然后采用具有精确体积控制的移液管，将计算得到的界面化流体52的体积施加到耦合表面44或者基材表面22。然后引发基材表面22和耦合棱镜40的耦合表面44之间的接触。表面张力帮助界面化流体52在整个接触面积上铺展。施加少量压力可用于帮助铺展界面化流体52。
在相关的实施方式中，界面化流体52的施加量大于实际所需情况。然后通过按压基材20或者使得基材20来回滑动或以圆形或椭圆形运动滑动将过量的界面化流体挤出去，直至对于所有模式都观察到足够对比度的耦合，但是同时neff<ns的强度水平仍然大于选定的下限，或者同时所有模式的宽度仍然小于所需的上限。
图6A类似于图4A，显示如下实施方式，其中，耦合表面44配有一个或多个远离化元件(“远离件”)47，其厚度近似等于或者大于为模式双折射提供所需量的不灵敏度的最小可接受界面流体厚度d1TH。在一个例子中，远离件47的尺寸优选约为1mm2或者更小。由于在此类小面积上容易地在不施加明显压力的情况下获得接触，当在耦合棱镜40和基材20之间施加界面化流体52时，远离件47限定了厚度d1，其可以设定为满足d1>d1TH的条件。施加压力或者使得基材滑动，将过量界面流体52挤出。更通常来说，远离件47限定了厚度轮廓，其中，d1可以是恒定的或者可以是随着位置而变化，如下文所解释。
在该实施方式的一个版本中，远离件47由低折射率材料制造，与界面化流体折射率nf相当。远离件47相对于耦合棱镜40的耦合表面44的总接触面积AP是小的，确保了TM和TE模谱没有明显变化，如果远离件的折射率明显不同于界面化流体的折射率nf的话，甚至如果它们的折射率高于测得的模式折射率neff的话。在一个例子中，可以采用光刻技术形成远离件47。例如，可以向棱镜耦合表面44施加涂层，涂层进行选择性曝光，然后去除曝光区段，从而留下多个远离件47。在其他例子中，可以使用掩膜来对耦合棱镜40的耦合表面44上形成的涂层进行选择性蚀刻，或者除了掩蔽的远离件47之外，从棱镜耦合表面选择性地蚀刻所需的棱镜材料厚度d1。
在同一实施方式的另一个版本中，可以在耦合棱镜40的耦合表面44靠近输出表面46那侧上使用一个或多个远离件47，同时可以在靠近输出表面42处不应用远离件或者较薄的远离件或者较少的远离件。图6B类似于图6A，显示耦合表面上的远离件47靠近输出表面侧比靠近输入表面侧更为集中的例子。此类配置的作用是沿着耦合表面44，以从输入表面42到输出表面46的方向(即，在图6B中从右到左)降低耦合强度。这可以帮助改善测得的模谱的对比度，特别是当结合适当照明时。
因此，远离件47可用于控制界面化流体52的厚度轮廓，具体来说，可用于限定从输入表面42到输出表面46的方向增加的厚度d1。可以以如下方式选择一个或多个远离件47的厚度，使得界面化流体52的厚度d1的范围在使得反射光62R发生反射的界面50的照明区域内，并且通过光检测器系统130收集，同时使得界面化流体52的厚度d1在两个最低阶模式的模式双折射基本未发生变化的厚度范围内，以确保准确应力测量。
此外，可以相对于照明区域上的中值厚度d1m来限定界面化流体52的厚度d1，例如(0.5)d1m≤d1≤(1.5)d2m。注意的是，在大多数情况下(如果不是所有情况的话)，如果基模的模式双折射保持基本未变，则次最高阶模式的模式双折射也会如此。
模谱的线宽或者在低于临界角的角度耦合，可用于确保在稳定性区域内测量。在一个例子中，模谱线的半峰全宽115TM和115TE可能要求<0.0004RIU，或者在输出表面46离开耦合棱镜40之后，模谱的角展度可能要求低于0.05°。
在另一个实施方式中，通过确保对于低阶模式的模谱的强度谷的底部比其间的全内反射的紧邻非耦合区域的某一强度百分比更深，来防止过耦合。在一个例子中，在强度谷底部的强度需要是全内反射的紧邻非偶和区域的强度的80％。
在另一个实施方式中，在与基材照射(非约束)模式耦合的区域内，监测光62在小于临界角θC的入射角θ反射的量。在一个例子中，在比临界角θC小约0.1°或更多的角度反射的光62R应该大于入射光的约50％(对于TE偏振)，以及大于入射光的约50％(对于TM偏振)。在另一个例子中，在比临界角θC小约0.1°或更多的角度反射的光62R应该大于入射光的约60％(对于TE偏振)，以及大于入射光的约60％(对于TM)。
棱镜涂层
图7A类似于图4A和6B，显示系统10的实施方式，其中耦合棱镜40在耦合表面44上包括低折射率涂层49(“棱镜涂层”)。棱镜涂层49具有厚度d2和折射率nc。
图7B类似于图4B，显示耦合棱镜40、棱镜图层49、界面化流体52和离子交换基材20的折射率结构的例子。在一个例子中，涂层折射率nc≤nf≤neff。此外在一个例子中，d2≤d1TH。棱镜涂层49帮助确保对于模式双折射B的低灵敏度。
图8类似于图5，显示对于三种不同的nf值，对于最低阶模式(B0)和第一阶模式(B1)的计算得到的模式双折射B与总界面厚度T＝d1+d2(nm)的关系图。波长λ＝405nm，d2＝200nm，nc＝1.445，以及np＝1.72，并且d1在0-200nm之间变化。假定浅陡峭区域R1的深度D1约为1um，以及表面折射率约为1.6，从而使得两个模式主要限定在区域R1内。假定基材折射率ns在405nm处约为1.525。
从图8可以看出，对于nf＝1.461的模式双折射B的两条曲线，对于两个最低阶模式在总厚度T为200至400的整个范围上(或者厚度d1是0至200nm的范围上)，较为恒定。对于该例子，可以预期如果nf约为1.46-1.465的话，对于两个最低阶模式分别的模式双折射B的变化会小于约5x10-5RIU，对应于约为15MPa的应力变化。则表面双折射的估计会精确至优于30MPa(即，小于或等于30MPa)。在图8的所有3个例子中，对于B0和B1，模式双折射B中的变化B’在整个d1范围上低于1x10-4。这表示相比于不使用棱镜涂层49的nf≈1.45的情况，变化具有至少7倍的下降，从与图5对比可以看出。
在另一个例子中，棱镜涂层49由SiO2制造，d2＝185nm且在488nm处nc≈1.441，并且将其施涂到488nm处np≈1.73的耦合棱镜40的耦合表面44，结合了488nm处nf≈1.487的界面化油52。该示例性配置能够容易耦合，同时将耦合配置相关的模式双折射的变化限制到可容忍的水平。在其他例子中，棱镜涂层49可以由CaF2、MgF2或其他材料制造，其在蒸发或喷溅之后形成薄膜，所述薄膜的折射率nc低于待测量的基材的折射率。
使得棱镜涂层49的厚度d2处于或者接近其最优值(良好耦合同时还结合厚度d1的界面化流体52限制了双折射B的误差)是有用的。在一个例子中，当光路nc·d2满足0.2λ≤nc·d2≤0.8λ时是最优厚度d2，其中，λ是用于制造模谱测量的光的真空波长。如果折射率分布的近表面区域特别陡峭，例如则可能在0.45λ≤nc·d2≤0.8λ的更窄范围内得到最优厚度d2。
在另一个例子中，0.52λ≤nc·d2≤0.7λ。nf的最优值在nc和neff之间，在一个例子中，nc+0.15(neff-nc)≤nf≤nc+0.30(neff-nc)，其中，在该具体情况下，neff表示确切有效折射率事先可能不知道的两个最低阶模式的范围内的典型折射率。如果nc+0.30(neff-nc)的量高于需要测量的最低阶模谱的有效折射率，则可能需要选择nf略低于最低阶模的折射率。在一个例子中，nf＝ns或者略低于ns，例如低不超过0.01ns，即(0.99)·ns≤nf≤ns。
当应用各种途径，采用测得的TM和TE模谱来获得TM和TE折射率分布(以及由此获得应力分布和双折射)时，使得与棱镜涂层49的存在相关的模式双折射B的稳定性是非常有用的。例如，当模式双折射B稳定化时，则界面化流体52、棱镜涂层49和耦合棱镜40可以模拟成单、半无限介质，折射率等于或者非常接近nf。这可明显简化用于计算TM和TE折射率分布的测量算法。
在一个示例性实施方式中，对界面化流体52的折射率nf进行选择，从而使得对于零阶和第一阶模式(即，前两个最低阶模式)的模式双折射B(即，B0和B1)的变化最小化或者降低至可接受的水平。在一个例子中，选择nf使得当厚度d1从0增加到较大值时，模式双折射B0和B1以相反方向变化。
在另一个例子中，选择nf使得对于每种模式，随着厚度d1的模式双折射B的变化小于当nf＝nc时的变化的所需分数，例如
|B(d1＝0，nf)-B(d1＞＞λ，nf)|＜F×|B(d1＝0，nf≡nc)-B(d1＞＞λ，nf≡nc)|
其中，分数因子F可以例如等于或小于0.5，表明作为选择不同于涂层折射率nc的流体折射率nf的结果的模式双折射稳定性的明显改进。
在另一个例子中，棱镜涂层49的厚度d2可以从靠近输入表面42处的耦合棱镜40的边缘较薄变化至靠近输出表面46处的耦合棱镜的边缘较厚。该构造的作用是沿着耦合表面44改变偶和强度，从输入表面42到输出表面46的方向使得强度下降。这使得可以较容易地排布测量光62F的照明，对于所有模式的耦合共振以获得高对比度TM和TE模谱。在一个例子中，涂层49在界面52的照明区域上的厚度d2的变化可以在与涂层的中值厚度d2m相关的范围内变化，即，(0.5)·d2m≤d2≤(1.5)·d2m。
在另一个实施方式中，棱镜涂层49可以在棱镜耦合表面44上结合一个或多个远离件47。在一个例子中，远离件47的位置可以更靠近输出表面46，从而产生界面化流体52的厚度d1的增加。这可起到使得测量光62F的耦合强度在从输入表面42到输出表面46的方向降低，使得较容易获得支持高对比度TM和TE模谱的照明条件。
对模谱进行检测
再次参见图3B，在一个示例性实施方式中，光检测器系统130的检测器110在每行或每列具有超过约1400个像素，从而使得在采用系统10的模谱测量过程中收集的强度的角分布遍布在至少1400个数据点上。在另一个例子中，检测器110在每行或每列具有超过约3000个像素。这使得能够在单次俘获的数码图像中同时对高密度TM和TE模谱这两者(它们空间分布在折射率分布的深、低折射率R2)以及低密度模谱(其限制在折射率分布的陡峭、通常来说浅的、近表面区域R1)进行高分辨率测量。在一个实验中，使用具有5184个像素柱的示例性检测器110来俘获离子交换基材20的宽-neff-范围、高分辨率棱镜耦合TM和TE谱，所述离子交换基材20是采用如下方式制造的：在KNO3浴中进行第一离子交换，在含有KNO3和AgNO3的各种混合物的浴(包括含有纯AgNO3浴)中进行第二、浅的离子交换。
如上文所述，当收集较宽角度谱(例如，大于约5°)时，检测器110处间隔的模谱线与对应于谱线的模式的有效折射率neff之间的线性关系的近似可能不再具有足够的准确度，并且会导致计算得到的折射率和应力分布的不可接受的变形。对于此类情况，本文所揭示的方法包括采用对于TM和TE模谱在传感器平面上的TM和TE谱线115TM和115TE与有效折射率neff之间的准确关系，以确保最大准确度的测量。当角度灵敏度是显著时(例如，大于约3时)，此类使用谱线位置与有效折射率之间的准确关系变得甚至更为重要，因为此类情况通常涉及耦合棱镜40具有较为接近基材折射率ns的棱镜折射率np，并且角度灵敏度自身随着有效折射率快速的变化。因此，对较大范围的neff使用单值会导致准确折射率和应力分布的潜在显著且不合乎希望的扭曲。
具体来说，再次参见图3A，当检测器110与集光系统90的焦平面92重合，并且光轴A2与光敏表面112以及可表示光学系统90的理想透镜的平面正交时，则具有如下关系：
其中，是对应于有效折射率(其映射到通过检测器110的光敏表面112的中心的虚谱线上)的离开角(相对于棱镜离开表面46的法线N)。
然后可以从如下等式获得对应于光敏表面112上的位置x的有效折射率：
其中，f是集光系统90的焦距长度，以及x中心是对应于光轴A2通过的光敏表面112的中心的像素柱的位置。更通常来说，如果光轴A2穿过除了中心处之外的光敏表面112，则将角度对应于更为一般化的位置x中心，其对应于光轴A2与光敏表面相交的位置。
使用如上关系式的一种方便方式是通过测量已知折射率的材料来校准n中心或的值，并调节n中心或直至最后的等式再次产生测得的折射率。之后，只要光学系统90保持固定，则将任意x转化成对应的neff就是相同的n中心(或)值。
对本领域的技术人员而言，很清楚可以在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神或范围下，对本文所述的本发明的优选实施方式进行各种修改。因此，本文覆盖了此类修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims (20)

1.一种对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面以及具有陡峭且浅的近表面区域R1的折射率分布，所述方法包括：
使得折射率np的耦合棱镜与基材表面界面化以限定棱镜-基材界面，使得所述耦合棱镜与基材表面之间具有折射率nf和厚度d1的界面化流体，其中，nf≤ns<np，其中，区域R1满足其中，λ是测量光的测量波长；以及
将所述测量光导向通过所述耦合棱镜并通过所述界面化流体进入所述基材表面，以及数字式地俘获从所述棱镜-基材界面反射的TE和TM模谱，其中，所述TM和TE模谱分别包括第一和第二最低阶模，并且厚度d1包括如下厚度范围，其至少使得在存在所述耦合棱镜的情况下测得的TM和TE谱的所述第一和第二最低阶模的模式双折射在该厚度范围内保持基本不变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TM和TE模谱由谱线限定，所述谱线具有相应的宽度WTM和WTE，以及其中，WTM<0.0004RIU且WTE<0.0004RIU，其中，RIU代表折射率单位。
3.如权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在所述耦合棱镜的耦合表面以及基材表面中的至少一个上面提供一个或多个远离化元件，以限定厚度d1。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述耦合棱镜包括耦合表面，所述耦合表面具有厚度为d2且折射率为nc的涂层，其中，nc≤nf。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，棱镜涂层的厚度d2和棱镜涂层的折射率nc满足0.2λ≤nc·d2≤0.8λ。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，界面化流体厚度d1和棱镜涂层厚度d2中的至少一个是基本恒定的。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，nc+0.15(neff t-nc)≤nf≤nc+0.30(neff t-nc)，其中，neff t表示预期发生TE和TM模谱的最低阶模的有效折射率neff的目标范围的中点。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，(ns-0.01)≤nf≤ns。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述棱镜涂层包括SiO2、CaF2或MgF2。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述界面化流体具有中值厚度d1m，其中，(0.5)·d1m≤d1≤(1.5)·d1m。
11.一种对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面以及具有陡峭且浅的近表面区域R1的折射率分布，所述方法包括：
使得折射率np的耦合棱镜与基材表面界面化以限定棱镜-基材界面，所述耦合棱镜具有耦合表面，所述耦合表面具有厚度为d2且折射率为nc的涂层，其中，0.2λ≤nc·d2≤0.8λ；
在所述棱镜涂层和基材表面之间提供折射率为nf且厚度为d1的界面化流体，其中，nc≤nf≤ns<np，其中，区域R1满足其中，λ是测量光的测量波长；以及
将所述测量光导向通过所述耦合棱镜并通过所述界面化流体进入所述基材表面，以及数字式地俘获从所述棱镜-基材界面反射的TE和TM模谱。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法还包括对折射率nc和nf以及厚度d2进行选择，从而使得对于TM和TE模谱中的每一个，至少对于第一和第二最低阶模，模式双折射的变化ΔB≤Btol，其中，Btol是模式双折射变化的容差。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述TM和TE模谱由谱线限定，所述谱线具有相应的宽度WTM和WTE，以及其中，WTM<0.0004RIU且WTE<0.0004RIU，其中，RIU代表折射率单位。
14.如权利要求11-13中任一项所述的方法，其特征在于，棱镜涂层的厚度d2和棱镜涂层的折射率nc满足0.45λ≤nc·d2≤0.8λ。
15.如权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，nc+0.15(neff t-nc)≤nf≤nc+0.30(neff t-nc)，其中，neff t表示预期发生TE和TM模谱的最低阶模的有效折射率neff的目标范围的中点。
16.如权利要求11-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材包括扩散进入的K+和Ag+离子。
17.一种耦合棱镜，其用于测量离子交换波导的模谱的棱镜耦合系统，所述离子交换波导具有折射率ns和表面，所述耦合棱镜包括：
耦合棱镜体，所述耦合棱镜体具有折射率np以及输入表面、输出表面和耦合表面；以及
所述耦合表面上的棱镜涂层，所述棱镜涂层的厚度为d2且折射率为nc，其中，0.2λ≤nc·d2≤0.8λ。
18.如权利要求17所述的耦合棱镜，其特征在于，棱镜涂层厚度从所述输入表面到输出表面的方向发生厚度增加。
19.如权利要求17或18所述的耦合棱镜，所述耦合棱镜还包括：
基材；
布置在棱镜涂层和基材表面之间的折射率为nf的界面化流体；以及
其中，nc<nf<ns<np。
20.如权利要求17-19中任一项所述的耦合棱镜，其特征在于，所述波导包括顶表面，并且所述耦合棱镜还包括一个或多个布置在波导顶表面和棱镜涂层之间的远离化元件，从而限定所述界面化流体的厚度。
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