CN106471408B - 提高应力的棱镜耦合测量中的对比度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于改善波导模谱的棱镜耦合测量中的对比度的方法与装置，其中，所测量的波导样品具有迅速减小的折射率的表面区域，用标准化斜率>0.0004来表征。不透明的光阻挡元件在棱镜的输入侧、输出侧或者两侧上被放置在光束的与棱镜和所测样品之间的接触平面最靠近的那部分中。光阻挡元件阻止来自光源的光沿着光路到达棱镜‑样品耦合界面的长度的一部分、阻止从前述长度的一部分反射的光到达检测器、或当使用输入光阻挡元件以及输出光阻挡元件时阻止两者。
Description
本申请根据35U.S.C.§119要求2014年4月23日提交的美国临时申请S/N 61/983,151的优先权权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。
背景技术
通过棱镜耦合的非破坏性应力测量对于制造便携式电子设备的化学强化盖玻璃中的质量控制具有重大意义。
一些化学强化玻璃(诸如一些双离子交换玻璃)是由包含在表面附近迅速减小的折射率的陡峭区域的折射率分布来表征的。这种折射率分布由于由棱镜中传播的光与作为离子交换的结果而形成的玻璃衬底的波导区域中传播的光之间的过量耦合而造成的耦合共振的显著加宽，而对于使用工业标准FSM-6000的建立的棱镜-耦合技术的应力测量来说是成问题的。
最近，已经发明了各种技术来缓解这个问题。在一个方法中，使用低折射率层来控制耦合强度。该技术允许获得明显的高对比度线的光谱，但是由于对在玻璃与测量棱镜之间的接近(通常<1μm)的需要而具有对接触表面的清洁度更严格要求的不便。其他方法包括使用较高折射率的油(>1.7)来增加折射率对比度，并使耦合共振变窄，以及紧邻棱镜插入漫射器以进一步平坦化(flatten)照明的角分布，以抵消加宽的共振的位置检测对背景照明中的强度变化的高灵敏度。这些后面的方法已经帮助延伸方便的高折射率油测量的范围(不需要亚微米厚度的油层，不需要防止来自棱镜-样品界面的颗粒)，但是这种测量的精度与具有适中斜率(其中λ是波长，n是折射率，并且z是深度坐标)的传统玻璃的测量相比常常是更差的。例如，实质上更陡峭的分布已经显示出表面圧缩应力(CS)的标准差常常实质上大于20MPa，甚至50MPa，这对于获得高产的质量控制来说是成问题的。相比之下，标准的玻璃常常被测得有低于5MPa的CS标准差。因此，提高对于包含随着深度急剧减小的折射率的浅区域的分布的测量精度进一步的方法对于实现高产并允许最接近化学强化玻璃的期望设计条件的操作是很有价值的。
发明内容
在应用本领域中已知的方法后所测量的压缩应力的残余标准差相对于离子交换碱铝硅酸盐玻璃(诸如由康宁公司(Corning Incorporated)制造的康宁玻璃)的测量仍然被提升，很大程度上是由于被限制到陡峭高折射率区域的低阶模式的耦合共振条纹(谱线)的有限对比度。不足的对比度使得对相对宽的耦合共振的检测易受噪声的影响。此外，这些耦合共振的宽的低对比度谱线常常遭受变形，如将在详细描述中解释的。这些影响导致在样品的测量期间增加的标准差，因为谱线的形状可取决于油的厚度以及楔角，并且检测还对检测器噪声敏感。对耦合界面的照明以及从耦合界面反射的光的收集的特定仔细控制的限制的应用允许成问题的耦合共振的对比度的实质性(substantial)改善、以及这些共振的谱线的变形的实质性降低，从而导致对CS的实质性更精确的测量。本文所描述的方法提供了强耦合模式的条纹对比度的增加，并因此提供更精确的测量。
在另一方面，在棱镜-样品界面处引入沿着光传播方向的强度的实质性纵向梯度。与棱镜-样品界面处的相对均匀的强度的情况相比，当引入这种梯度时，本发明人已经获得耦合共振的改善的对比度，以及降低的CS标准差。梯度的价值在于它帮助维持耦合光与回向耦合(back-coupled)光之间的基本正平衡，从而实质性缓解在暗耦合光条纹旁边的回向耦合光的亮条纹的形成。
因此，本公开的一个方面是要提供用于改善波导模谱的棱镜耦合测量中的对比度的方法与装置，其中，所测量的波导样品具有迅速减小的折射率的表面区域，用标准化(normalized)斜率来表征。不透明的光阻挡元件在棱镜的输入侧、输出侧或者两侧上被放置在光束的与棱镜和所测样品之间的接触平面最靠近的那部分中。光阻挡元件阻止来自光源的光沿着光路到达棱镜-样品耦合界面的长度的一部分、阻止从前述长度的一部分反射的光到达检测器、或当使用输入光阻挡元件以及输出光阻挡元件时阻止两者。从其在对应于最低阶模式的位置处光被允许到达检测器的照明长度的那部分不超过最低阶模式的最大可能有效耦合长度的7倍与7mm中的较小者。
本公开的另一方面是要提供用于改善波导模谱的棱镜耦合测量中的对比度的方法与装置，其中，所测量的波导样品具有迅速减小的折射率的表面区域，用标准化斜率|λ/ndn/dz|＞0.0004来表征。光阻挡元件在棱镜的输入侧、输出侧或者输入侧与输出侧两侧上被放置在光束的与棱镜和所测样品之间的接触平面最靠近的那部分中。光阻挡元件阻止来自光源的光沿着光路到达棱镜-样品耦合界面的长度的一部分、阻止从前述长度的一部分反射的光到达检测器、或当使用输入光阻挡元件以及输出光阻挡元件时阻止两者。光阻挡元件中的至少一个具有与距棱镜-样品耦合的平面的距离相关(as a function of)的可变透射率，其中，透射率随着距前述耦合平面的距离增加而增加。可变透射率的光阻挡元件是非圆形孔径。
本公开的另一个方面是要提供改善波导模谱的棱镜耦合测量中的对比度的方法。所述方法包括：在具有输入表面与输出表面的棱镜的耦合表面与波导样品的表面之间形成棱镜-样品耦合界面；以及将不透明的光阻挡元件设置在从光源发出的光束的路径的一部分中，所述部分最靠近耦合表面与波导样品之间的接触平面，其中，不透明的光阻挡元件被设置在输入表面与输出表面中的至少一个中。波导样品具有从表面延伸到波导样品与棱镜中的具有减小的折射率(具有标准化斜率|λ/n dn/dz|＞0.0004)的表面区域。不透明的光阻挡元件阻止光束的至少一部分沿着光束的路径到达棱镜-样品耦合界面的一部分、阻止从棱镜-样品耦合界面反射的光的第一部分到达检测器、并允许从棱镜-样品耦合界面反射的光的第二部分到达检测器。在对应于最低阶模式的位置处所述第二部分到达检测器，并且不超过最低阶模式的最大可能有效耦合长度的7倍和7mm中的较小者。
在另一方面，提供了改善波导模谱的棱镜耦合测量中的对比度的方法。所述方法包括：在棱镜的耦合表面与波导样品的表面之间形成棱镜-样品耦合界面，波导样品具有从表面延伸到波导样品中的具有减小的折射率(具有标准化斜率|λ/n dn/dz|＞0.0004)的表面区域，且所述棱镜具有输入表面及输出表面且所述棱镜具有输入表面及输出表面；以及将不透明的光阻挡元件设置在输入表面与输出表面中的至少一个上、并在从光源发出的光束的路径的一部分中，所述部分最靠近耦合表面与波导样品之间的接触平面；不透明的光阻挡元件阻止从棱镜-样品耦合界面反射的光的第一部分到达检测器，并在对应于最低阶模式的位置处允许从棱镜-样品耦合界面反射的光的第二部分到达检测器，并且不超过最低阶模式的最大可能有效耦合长度的7倍与7mm中的较小者。
这些以及其他方面、优势以及显著特征在以下详细描述、附图、以及所附权利要求中将成为显而易见的。
附图说明
图1是示例棱镜-耦合系统的示意图；
图2是图1的棱镜-耦合系统的光电检测器系统的示意性特写图；以及
图3是使用具有厚度d1以及折射率nf的相接流体与离子交换衬底相接的示例耦合棱镜的示意性特写图。
图4示出了对于照片a、b、c、以及d，具有Δn≈0.015并分别具有21μm、14μm、10μm、以及8.2μm的层深度(DOL)的离子交换区域的模式耦合谱；
图5是沿着耦合棱镜与测量的衬底之间的耦合界面从特定平面波耦合到衬底的波导中的光的电场振幅的两个分布的图示；
图6是示出了插入输入光束的顶部部分中以减少沿着x具有相对均匀的波导模式场振幅的那部分的长度，同时保留由于来自棱镜的光的耦合而具有波导中的场的沿x快速增长的振幅的那部分的光阻挡件(light block)的图示。
图7是示出了插入输入光束中的可变衰减器的图示；
图8A与图8B是示出了可被用于图7中所示的配置中的空间可变衰减器的两个示例的图示；
图9A是在没有光阻挡的情况下测得的双离子交换波导的TM模式谱；
图9B是在光阻挡件被放置在距棱镜中心的棱镜输入侧上且光阻挡件被放置在棱镜的输出侧上的情况下测得的双离子交换波导的TM模式谱；
图10是示出了将光阻挡件放置在距棱镜的显著距离如何可被用于提供所测量的有效折射率范围的两端之间的有效相互作用长度的差值的示图；以及
图11是示出了同时提高低阶模式的对比度以及保留检测图9A和图9B的双离子交换样品的所有模式的能力的照片。
具体实施方式
在以下描述中，在附图所示的若干视图中相同的附图标记指示相同或相应的部件。还应理解的是，除非另外指明，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等的术语是便利的用语且不应被解释成限制性术语。此外，每当一个组被描述为包括一组元素及其组合中的至少一个，应理解该组可包括任意数量的所述那些元素、主要由任意数量的所述那些元素构成、或由任意数量的所述那些元素构成，无论那些元素是单独的还是彼此组合的。类似地，每当一个组被描述为由一组元素及其组合中的至少一个构成时，应理解该组可由任意数量的所述那些元素构成，无论那些元素是单独的还是彼此组合的。除非另外指明，叙述时值的范围包括范围的上限值与下限值两者以及它们之间的任何范围。如本文所使用的，不定冠词“一”、“一个”以及相应的定冠词“该”是指“至少一个”或者“一个或多个”，除非另外指出。还要理解说明书和附图中所公开的各个特征可按任何以及所有组合使用。
如本文所使用的，术语“玻璃制品”以及“玻璃制品(多个)”在它们最宽泛的意义中使用，以包括完全地或部分地由玻璃制成的任何物体。除非另外指明，将所有成分表达成摩尔百分比(mol％)的形式。
使用本领域中已知的那些手段来测量圧缩应力和层深度。这种手段包括但不限于：使用商业可购得的仪器(诸如由Luceo公司(东京，日本)制造的FSM-6000等)测量表面压力(FSM)，以及在题为“化学强化平板玻璃的标准规范(Standard Specification forChemically Strengthened Flat Glass)”的ASTM 1422C-99中以及题为“退火的、热强化的以及完全钢化的平板玻璃中的边缘应力及表面应力的非破坏性光弹性测量的标准测试方法(Standard Test Method for Non-Destructive Photoelastic Measurement of Edgeand Surface Stresses in Annealed,Heat-Strengthened,and Fully-Tempered FlatGlass)”的ASTM 1279.19779中描述了测量压缩应力与层深度的方法，它们的内容通过引用整体结合于此。表面应力测量依赖于对应力光学系数(SOC)的精确测量，所述应力光学系数与玻璃的双折射相关。进而由本领域中已知的那些方法来测量SOC，诸如光纤以及四点弯曲方法(这两种方法在题为“测量玻璃应力-光学系数的标准测试方法(Standard TestMethod for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient)”的ASTM标准C770-98(2008)中描述，其通过引用被整体结合于此)、以及散装缸(bulk cylinder)法。
一般地参见附图，且特别参见图1，将会理解图示是出于描述特定实施例的目的并且不旨在将本公开或所附权利要求局限于此。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简明，附图的某些特征和某些视图可被显示为成比例地或示意性地放大。
图1是适合实施测量如本文所公开的离子交换衬底20(包含陡峭且浅的近表面区域R1)的TE模谱及TM模谱的方法的示例棱镜-耦合系统(“系统”)10的示意图。在示例中，离子交换衬底20构成化学强化玻璃，诸如由纽约州康宁市的康宁公司(Corning,Incorporated)制造的玻璃
系统10包括配置成保持衬底20的衬底保持器30。然而，在替代的实施例中，不需要衬底保持器30。系统10还包括耦合棱镜40，所述耦合棱镜40包括输入表面42、耦合表面44、以及输出表面46。耦合棱镜40具有折射率np>ns。耦合棱镜40通过使耦合-棱镜耦合表面44与衬底顶表面22进入光学接触而与衬底20相接，藉此限定了包括相接流体52的衬底-棱镜界面(“界面”)50。下文讨论了耦合棱镜40是如何与离子交换衬底20相接的细节。
在示例实施例中，耦合棱镜40具有梯形的、弯曲的、或其他横截面形状，而非通过示例在图1中示出的三角形横截面形状。此处术语“弯曲的”指的是输入表面42和/或输出表面46可以是弯曲的情况，诸如圆柱形表面或球形表面。
继续参见图1，系统10包括分别穿过耦合棱镜40的输入表面42与输出表面46，以在考虑棱镜/空气界面处的折射之后大体在界面50处会聚的光轴A1及光轴A2。系统10沿着轴A1依次包括：发射波长λ的测量光62的光源60、可替代地包括在轴A2上的检测器路径中的可选的滤光器66、形成散射光62S的可选的光散射元件70、以及形成聚焦的(测量)光62F的可选的聚焦光学系统80，如下文所解释的。因此，在系统10的示例中，在光源60与棱镜输入表面42之间没有光学元件。
系统10还从耦合棱镜40起沿着轴A2依次包括：具有焦平面92和焦距f并接收如下文所解释的反射光62R的收集光学系统90、TM/TE偏振器100、以及光电检测器系统130。轴A1限定光源60与耦合-棱镜耦合表面44之间的光路OP1的中心。轴A2限定耦合表面44与光电检测器系统130之间的光路OP2的中心。注意到，由于折射，轴A1与轴A2可分别在输入表面42及输出表面46处是弯曲的。它们还可通过在光路OP1和/或OP2中插入镜子而被分成子路径。
在示例中，光电检测器系统130包括检测器(相机)110以及帧抓取器120。在下文讨论的其他实施例中，光电检测器系统130包括CMOS或CCD相机。图2是TM/TE偏振器以及光电检测器系统130的检测器110的特写立体图。光电检测器系统130包括光敏表面112。光敏表面112处于收集光学系统90的焦平面92中，其中，光敏表面大体垂直于轴A2。这用于将离开耦合棱镜输出表面46的反射光62R的角分布转换为光在相机110的传感器平面处的横向空间分布。在示例的实施例中，光敏表面112包括像素，即，检测器110是数字检测器，例如数字相机。
将光敏表面112分裂成TE部分112TE和TM部分112TM允许同时记录反射光62R的TE偏振和TM偏振的角反射谱(模谱)的数字图像。考虑到系统参数会随着时间漂移，此同时检测消除了可由在不同时间进行TE测量与TM测量而引起的测量噪声源。
示例光源60包括激光器、发光二极管、以及诸如热丝灯及石英灯之类的较宽带宽源。由光源60产生的光62的示例操作波长λ可包括近紫外波长、可见波长以及红外波长。
系统10包括控制器150，该控制器150被配置成控制系统的操作。控制器150还被配置成接收并处理来自光电检测器系统130的图像信号SI，所述图像信号SI表示捕捉的TE与TM模谱图像。控制器150包括处理器152和存储器单元(“存储器”)154。控制器150可经由光源控制信号SL来控制光源60的激活与操作，并且接收并处理来自光电检测器系统130(例如，来自如图所示的帧抓取器120)的图像信号SI。
在示例中，控制器150包括计算机并包括用于从计算机可读介质(诸如，软盘、CD-ROM、DVD、MOD、闪存驱动器或诸如网络或因特网之类的另一个数字源)读取指令和/或数据的读取设备，例如，软盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备(未示出)或包括网络连接设备(诸如以太网设备(未示出))的任何其他数字设备。控制器150被配置成执行储存在固件和/或软件(未示出)中的指令，包括用于实施本文公开的表面双折射性/应力测量的信号处理指令。在示例中，术语“控制器”和“计算机”是可互换的。
控制器150是可编程的，以执行本文所述的功能，包括系统10的操作以及图像信号SI的上述信号处理，以便实现对衬底20的应力特性的测量，诸如应力分布S(x)、双折射、或压缩应力CS。如本文中所使用的，术语“计算机”不仅仅限于本领域中被称为计算机的那些集成电路，而宽泛地指代计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路、以及其它可编程电路，且这些术语在本文中可互换地使用。
软件可实现或有助于本文所公开的系统10的操作的执行，包括上述的信号处理。软件可被可操作地安装在控制器150中，且尤其在处理器152和存储器154中。软件功能可涉及编程，包括可执行代码，并且这些功能可用于实现本文所公开的方法。这种软件代码可由通用计算机或由下文描述的处理器单元来执行。
在操作中，代码以及可能地相关联的数据记录被存储在通用计算机平台内、处理器152内和/或存储器154中。然而，在其它时候，软件可被存储在其它位置处和/或被运输以加载到合适的通用计算机系统内。因此，本文所讨论的实施例涉及以由至少一个机器可读介质携带的一个或多个代码模块为形式的一个或多个软件产品。由计算机系统150的处理器152或由处理器单元执行这种代码使得平台能够基本上以本文所讨论和示出的实施例中执行的方式来实现目录和/或软件下载功能。
控制器150和/或处理器152各自可采用计算机可读介质或机器可读介质(例如，存储器154)，这指的是参与向处理器提供指令以用于执行的任何介质，包括例如，确定衬底20的表面双折射/应力的量或应力分布S(x)。存储器154构成计算机可读介质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如作为以上所讨论的服务器平台之一操作的任何计算机中的存储设备中的任何一个。易失性介质包括动态存储器，诸如这种计算机平台的主存储器。物理传输介质包括同轴线缆、铜线和光纤，包括包含计算机系统内的总线的线。
因此，计算机可读介质的常见形式包括：例如，软盘、软磁盘、硬盘、磁带、闪存驱动器以及任何其它磁介质；CD-ROM、DVD以及任何其它光介质；不常用的介质，诸如穿孔卡片、纸带以及具有孔图案的任何其他物理介质；RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM以及任何其它存储器芯片或磁带盒；传播数据或指令的载波、传播这种载波的电缆或链路、或计算机可从中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。可在将一个或多个指令的一个或多个序列运载至处理器152以供执行中涉及这些形式的计算机可读介质中的许多。
在示例中，控制器150被编程成基于所测量的模谱来确定离子交换衬底10的至少一个特性。示例特性包括：表面应力、应力分布、压缩应力、层深度、折射率分布以及双折射。在示例中，控制器150被编程为执行计算，如公开在A.Brandenburg的文章“离子交换玻璃波导中的应力(Stress in Ion-Exchanged Glass Waveguides)”，光波技术杂志(Journal ofLightwave Technology)，LT-4卷，10期，1986年10月，1580-93页。
系统10可以是商用棱镜-耦合仪器(诸如，由日本东京的Orihara工业有限公司(Orihara Industrial Co.,Ltd.)制作并销售的FSM-6000棱镜-耦合仪器)的改进版本。FSM-6000仪器表示在平坦离子交换玻璃中的高通量(high-throughput)非破坏性应力测量中的现有技术，并利用在589nm下具有棱镜折射率np＝1.72的耦合棱镜40。FSM-6000使用具有折射率nf＝1.64的折射率匹配流体。在FSM-6000仪器中，从前两个撗磁(TM)模式以及前两个横电(TE)模式的有效折射率neff来计算表面压缩应力(CS)，而基于线性折射率分布假设，观察到的模式的总数量连同衬底折射率以及上述前2个模式的有效折射率一起用于层深度(DOL)计算。
图3是如使用相接流体52与离子交换衬底20相接的耦合棱镜40的特写横截面图。耦合棱镜角α连同耦合角θ、出射角β2以及表面法线N一起被示出。相接流体52具有厚度d1以及上述流体折射率nf。相接流体的示例类型是油，诸如折射率匹配油。
使用相接流体52不是作为折射率匹配层本身，而是作为“势垒(potentialbarrier)”，它的参数可用于控制测量光62F在耦合棱镜40与衬底20之间的耦合强度。以此方式，尽管每单位传播长度的大量反弹，可使耦合到近表面模式的测量光62F的强度随着传播距离较慢地衰减。这可允许比使用折射率匹配流体时更窄且更深(并因此更尖锐的)耦合共振。出于该目的，代替选择具有比所测量模式的折射率高的折射率的油，而选择具有比所测量模式的折射率低的折射率(即nf<neff)的相接流体53。
在示例的实施例中，相接流体52的厚度d1至少与防止过耦合的阈值厚度d1TH一样大，从而限制将由模式双折射率Bm对厚度d1的高灵敏度引起的误差。
系统10、光电探测器系统110、以及耦合棱镜在Rostislav Vatchev Roussev等人于2013年10月30日提交且题为“用于测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃的模谱的装置及方法(Apparatus and Methods for Measuring Mode Spectra for Ion-ExchangedGlasses Having Steep Index Region)”的美国临时专利申请号61/897,546、以及Rostislav Vatchev Roussev等人2013年7月31日提交的且题为“具有用于双离子交换玻璃的提高的模谱对比度的棱镜耦合方法(Prism Coupling Methods with Improved ModeSpectrum Contrast for Double Ion-Exchanged Glass)”的美国临时专利申请号61/860,560中描述，这些申请的内容通过引用整体结合于此。
图4示出了对于照片a、b、c、以及d，具有Δn≈0.15并分别具有21μm、14μm、10μm、以及8.2μm的DOL的离子交换区域的模式耦合谱。对于光谱a、b、c、以及d，折射率分布的标准化斜率分别大约为-0.0003、-0.0004、-0.0006、以及-0.0007。图4示出了耦合共振的对比度(图中的暗条纹)是如何显著恶化的，且对于宽度是如何显著增加的。此效应导致存在图像噪声的情况下对浅陡峭区域的模式的自动捕捉的困难。此外，当成功捕捉到模式时，测量到的应力经受显著的标准差，这由于对精确的处理与质量控制的需要，而是成问题的。
耦合谱在模式耦合强时具有不良对比度。本发明人已经意识到具有陡峭变化的折射率的浅区域的波导的低阶、强耦合模式的不良对比度在噪声存在的情况下测量应力时，导致大的标准差。这对于双离子交换部分(其中，首先通过K对Na离子交换来获得化学强化，并且通过引入到玻璃的近表面区域中的第二离子交换来实现抗菌功效)尤其如此。当富K的盐中的短离子交换产生浅区域时(其中，K2O浓度从表面到大约5μm的深度减少了>5mol-％(图4的c、d))也观察到同样的问题。所述问题类似地发生在双离子交换分布的测量中，其中在包含NaNO3与KNO3两者(其中NaNO3浓度>20重量-％)的浴(bath)中的第一长离子交换产生具有相对小的斜率的深分布，并且在具有低NaNO3含量(<2重量-％)的浴中的第二短离子交换在表面附近(其中，K2O浓度在最开始的5微米内降低了超过约5mol-％)产生浅的区域。
在一个示例中，本公开涉及使用被用于测量应力的棱镜-耦合系统(诸如FSM-6000)来进行测量。在该系统中，棱镜具有1.72的折射率，所测量的玻璃衬底具有大约1.5的折射率，且使用具有在棱镜的折射率与样品表面的折射率之间的折射率中值的液体(油)，以允许光在棱镜和衬底之间通过，从而允许耦合。在另一个示例中，棱镜与衬底之间的液体可具有比衬底的折射率低的折射率，但被限制在浅陡峭区域的低阶模式的耦合仍然显著强于散布在波导的深区域的高阶模式的耦合，从而导致低阶模式测量的降低的精度。
低阶模式的不良对比度是由于两个主要因素。第一，低阶模式的较强耦合导致耦合共振的加宽(通过耦合强度与共振宽度之间的关系)。加宽可通过降低耦合强度而被减少，例如，通过增加用于实现棱镜与样品之间的耦合的折射率油之间的折射率差。例如，将油折射率从1.64的通用值增加到1.72的值(等于棱镜折射率)帮助使共振变窄并提高对比度。耦合的强度还可通过使用衬底与棱镜之间的低折射率区域来加以控制。此方法允许耦合共振的宽度的更实质性减小，但是即使在这种情况下，低阶模式在一些情况中(当必须增加它们的耦合以便实现分布的深区域的较高阶模式的充分耦合)可能是宽的。因此，用于进一步增加对比度的附加方法即使在此情况下是有价值的。
已被发现降低对比度的第二机制是耦合到离子交换区域的导模内的光与从这些导模耦合回至棱镜的光之间的平衡。具体而言，当对来自棱镜-样品界面的反射的角谱执行暗线测量时，测量依赖于耦合到导模中的光不存在于反射谱中，因此导致在相应的耦合角度处的暗线。如果光从特定导模耦合回至棱镜，那么它以在检测器上的暗线的位置处(对应于该模式的耦合的角度)增加的强度结束，从而导致该模式的共振的降低的对比度。
图5是沿着耦合棱镜与测量的衬底之间的耦合界面从特定平面波耦合到衬底的波导中的光的电场振幅的两个典型分布的图示。距离x0示出在其上振幅沿着传播方向x大幅度增加的距离。当棱镜耦合小面(facet)的照明相对均匀时，距离x0大约等于强耦合到棱镜的模式的最大耦合长度。场分布是平坦的或沿着x减小的波导的部分贡献了暗谱线的对比度中的降低。
使x为沿着棱镜-衬底界面从光源的那侧行至检测器的那侧的方向(图5)。从棱镜侧查看特定角度的照明，如果由该角度处的照明波贡献的棱镜接触表面处的电场的振幅沿着棱镜-衬底界面是均匀的，则耦合到波导中的光的振幅A(x)因为更多的光耦合到波导中而沿着x增加。随着波导中的光的量随x而增加，光开始耦合回至棱镜，且波导中的光振幅的增加速率变得更小。如果耦合是强的，则在波导-棱镜界面的输入端和输出端之间的某处的位置x0处获得波导模式中的光的振幅饱和的情况可发生。对于沿着波导的模式场振幅是恒定的x>x0的波导的部分，从棱镜到波导的净耦合大约为0，因为在该部分中，与从棱镜耦合到波导的光的量类似量的光从波导耦合回至棱镜。在检测器处的光谱的图像中，从x>x0的位置反射的光不贡献有用的信号，但它确实增加了照明背景，因此导致对比度的降低。在棱镜出射小面附近的波导的部分随着x增加而具有减小的模式场振幅。此部分对对比度具有更糟糕的影响，因为在该部分中，相比从棱镜耦合到波导的光，更多的光从波导耦合到棱镜，从而贡献了与讨论中的模式的暗线对应的特定出射角处的亮度增加，严重地降低了相对于相邻角度处的背景所测量的该模式的线的对比度。
为抵消这些效应，本公开提供了三种类型的解决方案。在一个实施例中，插入光阻挡件或光孔径，所述光阻挡件或光孔径将照明的开始转移更靠近棱镜的端部，因此减少了x>x0的恒定振幅区域的分数，并因此降低了它对对比度的负面影响。图6示出了插入输入光束的顶部部分中的光阻挡件可被用于减少沿着x具有相对均匀的波导模式场振幅的那部分的长度，同时保留由于耦合来自棱镜的光而具有波导中的场的沿x快速增长的振幅的那部分。插入出射光束的顶部部分中的第二光阻挡件阻挡了从波导的具有平坦的或沿着x减小的振幅的那部分向外耦合的光。两个光阻挡件都工作以缓解由于沿着x波导模式中的平坦的或降低的场振幅(或强度)的部分造成的对比度的损失。图6中还包括这种情况下电场振幅A(x)沿着波导的示例分布，示出了恒定振幅区域的大幅度减少。此解决方案在一些情况中可具有使较高阶模式的较窄谱线中的一些加宽的负面效应，因为它导致有效光束孔径减小光束沿着x被阻挡的部分与棱镜-样品界面的总长度的比率。在一些情况中，可发生另一个负面效应，因为与低阶导模相关联的角谱的部分相比于与高阶模式对应的部分经历显著得多的强度减小。这可导致与角度相关的强度背景的实质性且变化的斜率，针对该角度与导模对应的暗线被检测到。进而，其可由于与模式对应的强度极小值的位置的轻微移位而在测量中引入一些误差。从相反意义上说，可通过调整远处光源的高度并利用光源的角梯度来减轻这种影响。
在另一个实施例中，所述解决方案涉及将光阻挡件插入出射光束中(也在图6中示出)，所述光阻挡件阻挡来自沿着x具有减小的模式场振幅的区域的光，并可选地阻挡来自沿着x具有近恒定模式场振幅的区域的光。事实上，插入输入光束中的光阻挡件与插入输出光束中的另一个光阻挡件的组合允许用于减轻强耦合模式的降低的模式对比度的影响的最大灵活性。
在一个示例中，已经通过在光束的输入侧和输出侧插入光阻挡件而观察到对于抗菌玻璃的对比度的实质性改善以及表面压缩应力(CS)测量的标准差从>50MPa到<10MPa的减小。光阻挡件是垂直的，在任一侧上距棱镜的中间大约12mm的距离对称地放置，且其中，光阻挡件的下端被定位在棱镜-样品耦合界面的平面之下5mm。输入光束与输出光束在光阻挡件的5mm深度之上的那些部分被完全阻挡。在另一个示例中，对于在顶部10微米中具有K浓度的陡峭下降的区域的玻璃样品，CS的标准差通过在棱镜的任一侧上将光阻挡件对称地放置在相同位置处(使得光阻挡件的底部在棱镜-样品耦合界面的平面之下4mm)而被减少至5-15MPa的范围。输入光束与输出光束在光阻挡件的底部之上的那些部分被完全阻挡。在两个示例中，光阻挡件被实现为具有100μm与200μm之间的厚度的黑色胶带的不透明矩形。
在又一实施例中，所述解决方案涉及沿着x轴引入棱镜基底的照明的梯度，如在图7(其是示出插入输入光束中的可变衰减器的图示)中所示。随着朝着光束的顶部的增加的衰减，衰减器可被用于以沿着x的恒定的或减小的振幅的部分为代价，拉伸沿着x的波导模式的增加的振幅的那部分，从而有助于减轻由于沿着x的恒定的或减小的振幅的部分造成的对比度降低的影响。具体而言，为更好地检测暗线，提出了照明的正梯度，其中，棱镜基底的场强度沿着x增加。在此情况下，沿着x轴朝向检测器侧上的棱镜出射小面拉伸波导内具有增加的场振幅的区域。振幅A(x)沿着x轴的此连续增加帮助降低恒定振幅区域通常将贡献的增加的背景的影响。在图7中示出的示例中，这是通过在光源侧插入具有衰减的梯度的衰减器来实现的，以在更靠近棱镜-样品界面的一侧上的高衰减，以及在更靠近与耦合界面相对的棱镜边缘的底侧上的降低的衰减开始。
可通在检测器侧上插入梯度衰减器来实现类似的效果。在此情况下，波导中的场振幅的分布将类似于具有近恒定振幅的延伸区域的图5的分布。然而，梯度衰减器可被布置成其高衰减侧更靠近耦合界面，从而对来自恒定振幅区域以及减小振幅区域的光提供强衰减，因此降低信号不良背景。同时，它将对来自区域x<x0的光(其具有高对比度)提供弱衰减。
上文描述的三个实施例的任何组合产生可被用于提高对比度的另一个实施例。例如，空间可变的衰减器可在顶部(暗侧)处具有完全阻挡光的部分，使它成为组合的可变衰减器/光阻挡件，其可被放置在输入侧、输出侧、或两侧上。
图8A与图8B示出了可在图7的配置中使用的空间可变的衰减器的两种实现。图8A示出了上述梯度衰减器，其中衰减系数从底部到顶部增大。该梯度衰减器是具有从底部附近的低散射/吸收变化到顶部附近的高散射/吸收的不显著散射与吸收的部分透明的衬底或膜，从而导致透射在顶部附近非常显著地降低。图8B示出了具有在底部附近使更多光通过且在顶部附近使更少光通过的形状的光阻挡件(通过随沿着高度方向的垂直坐标改变中心开口的宽度)。图8B通过使阻挡件的较小部分在顶部附近打开，实现了在棱镜/光束的宽度上平均的类似效果。角度γ可被用于控制沿着棱镜-衬底界面的照明的分布的梯度，并因此，控制沿着波导的模式场振幅的分布的梯度。
角度γ控制强度沿着x的改变速率。已经确定了对于双离子交换样品的表面压缩测量的对比度及标准差的改善(其中在熔融的KNO3浴中产生第一离子交换，而在包含高达0.6重量-％的AgNO3的KNO3浴中产生第二离子交换)。当输入光束的顶部2-3mm在棱镜中心之前的12mm位置处被完全阻挡，并且角度γ大约为30度、40度、以及50度时，获得对比度的实质性改善。其中，当角度为大约40度时，观察到最佳性能。照明强度沿着x的最佳改变速率可取决于对自动测量来说通常最具挑战的最低阶模式的耦合强度。
距离x0可被称作有效的有用相互作用长度Leff，其在均匀照明的情况中等于lm，其中，lm是在没有外部光正被耦合到波导中的区域内，在其上模式m的光场由于耦合或其他损失沿着波导减小因子e的长度。在图4中示出的示例中，棱镜长度为25mm，而在图4中的示例c与d中的模式的有用相互作用长度小于3mm，导致不良对比度。在抗菌玻璃的示例中，低阶模式具有低于1.6mm的有用相互作用长度，在一些情况下低于1mm，且棱镜长度为12mm。光阻挡件的插入将从其收集信号的长度降低到大约7mm。一般而言，当相机从其收集信号的长度被减少到低于7Leff，来自沿着x具有增加的模式振幅的区域的光被收集，且来自沿着x具有降低的模式振幅的区域的光被检测器侧上的光阻挡件实质性拒绝时，观察到对比度的实质性改善。优选地，光阻挡件确保信号是从棱镜-样品界面的通过光阻挡件的组合被减小到低于5Leff的照明部分收集的。
现有技术系统典型地在检测器侧包含孔径，但它一般从大于10mm的长度中接受信号。此外，现有技术系统具有被抬升到仪器顶部表面之上大约0.5mm的棱镜耦合小面。系统的部分可阻挡来自光束顶部的小部分，这可取决于其中使用该系统的角谱的部分而略微地改变。一般而言，现有技术系统被设计成使得从棱镜长度的大部分(在实际现有技术示例中，其可以是12mm或25mm)收集光。在本文所描述的装置与方法中，光阻挡件确保相机中的信号是从不超过8mm的照明长度收集的，且更好的结果在照明长度被减小到低于大约5mm时获得。
图9A示出了在没有光阻挡的情况下测得的双离子交换波导的TM模式谱，而下面的图像示出了在4.5mm光阻挡件被放置在距棱镜中心12mm的棱镜输入侧上且3mm光阻挡件被放置在棱镜输出侧上，同样距中心12mm的情况下测得的双离子交换波导的TM模式谱。被限制到分布的浅陡峭区域的低阶模式的对比度的略微改善(图9A与图9B中的最左边的条纹)允许表面应力测量的标准差的实质性减小。同时，如从亮条纹图案转变到从顶部图像到底部图像没有可检测条纹的暗区域的位置的移动所证实的，光阻挡导致光谱的两个最右边条纹消失。
图9A与图9B示出了当使用光阻挡来改善分布(其具有浅陡峭区域以及折射率缓慢减小的非常深的区域两者)的低阶模式的对比度时的问题。当光阻挡件相对靠近棱镜放置时(在此示例中，其距棱镜中心12mm，并距最靠近的棱镜边缘6mm)，其以近似相同的量减小所有模式的有效相互作用长度，从而导致主要在分布的非常深的区域中传播的高阶模式的通常非常窄的条纹的加宽。这种加宽可导致最靠近隔开的谱线中的一些的合并(图9B中的消失的最右边条纹)，且它们不能被自动的图像处理软件检测到。
在相关的实施例中，利用光阻挡件与棱镜之间的相对大的距离来实现随着被测量的模式的有效折射率变化的测量的有效相互作用长度。在图10中示出了显示将光阻挡件LB放置在距棱镜的显著距离ΔL如何可被用于提供所测量的有效折射率范围Δneff的两端之间的有效相互作用长度中的差值Δx(具有相应的棱镜出射角范围Δβ2)的图示。在此示例中，光阻挡件被放置在棱镜的出射侧上且在检测器的臂(arm)中。具体而言，具有在表面附近具有迅速减小的折射率的陡峭浅区域，继之以具有缓慢减小的折射率(从表面穿透>200λ/n，并具有标准化斜率 的深区域的折射率分布需要光阻挡以用于改善限制在浅陡峭区域中的低阶模式的对比度。同时，需要显著的相互作用长度来能够解析深入在缓慢减小折射率的区域中传播的密集隔开的最高阶模式。
在一个非限制性示例中，与光谱的模式的有效折射率对应的光线的出射角β2(相对于棱镜的出射面的法向而测量的)显著地小于1弧度(rad)，且与导模的有效折射率的整个光谱对应的出射角的范围是Δβ2。在此实例中，放置在距棱镜的最靠近边缘距离ΔL的具有合适阻挡高度H的光阻挡件可赋予最低阶模式与最高阶模式之间的有效相互作用长度的差值Δx，使得:
例如，具有1.72的折射率与底角α+60°的棱镜、具有1.505的最大折射率与1.492的最小折射率的双离子交换区域具有Δβ2≈20弧度以及相比于α可忽略的β2，使得:
以上等式提供了控制有效折射率谱的宽度上的有效耦合长度的差值的手段，以缓解由于不能解析高阶模式而造成的CS测量的精度与DOL测量的系统误差之间的权衡的需要。
在图11中示出了同时改善低阶模式的对比度并保留检测图9A和图9B的双离子交换样品的所有模式的能力。图11中的顶部图像示出了在没有光阻挡的情况下获得的TM模谱。图11中的底部图像示出了在放置在距较靠近的棱镜边缘距离ΔL＝82mm并具有从棱镜水平耦合小面(参见图10示意图)测量的大约46mm的总高度的光阻挡件LB的帮助下捕获的TM模谱。远离的光阻挡件在未对最高阶耦合共振(图11中的最右边的条纹)进行加宽的情况下，提高了低阶模式的对比度。
通过将46mm高度的光阻挡件放置在距棱镜边缘80mm的距离处而在没有损失DOL准确度的情况下实现对比度的改善(图11的底部图像)。此光阻挡件的高度是通过计算与最低有效折射率对应的光线的出射角，随后考虑棱镜形状而计算的：
其中，nsub是衬底折射率，在此选出以近似表示整个模谱的最低有效折射率。光阻挡件的位置和/或高度可需要在布置时略微地调整，以便获得照明的均匀性与最低阶模式的对比度之间的最佳平衡。
虽然出于说明的目的已经阐述了典型实施例，但是以上的描述不应被认为是对本公开或所附权利要求的范围的限制。因此，在没有背离本公开或所附权利要求的精神与范围的情况下，本领域技术人员可想到各种修改、调整、以及替换。
Claims (18)
1.一种测量波导模谱的方法，所述方法包括：
在棱镜的耦合表面与波导的表面之间形成耦合界面，所述波导具有有着标准化斜率的减小的折射率的表面区域，其中n＝n(z)是所述波导的折射率分布，作为从波导表面进入波导的距离z的函数，且λ是来自光源的光束的测量波长，所述表面区域从表面延伸到所述波导样品中，且所述棱镜具有输入表面与输出表面；
将不透明的光阻挡元件设置在所述输入表面与输出表面中的至少一个上并在从光源发出的光束的路径的一部分中，所述部分最靠近所述耦合表面与所述波导样品之间的接触平面；
下列两项中的至少一项：
用所述不透明的光阻挡元件来阻挡光束的至少一部分，其中，阻止所述光束的所述部分沿着所述光束的所述路径到达所述耦合表面的一部分；以及
用所述不透明的光阻挡元件阻挡从所述耦合界面反射的光的第一部分，其中，阻止所述第一部分到达检测器；
允许从所述耦合界面反射的光的第二部分到达所述检测器；以及
用所述检测器在对应于最低阶模式的位置处检测所述第二部分，并且从其反射第二部分的耦合界面的长度的那部分小于或等于最低阶模式的最大可能有效耦合长度的7倍或7mm，两者中取较小值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从其反射第二部分的耦合界面的长度的那部分小于或等于所述最大有效耦合长度的5倍。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个光阻挡元件位于所述棱镜的边缘的30mm内。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个光阻挡元件位于所述棱镜的边缘的7mm内。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述波导进一步包括具有减小的折射率的深区域，所述深区域从所述波导的表面穿透到至少170λ/n的深度，并具有标准化斜率
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述深区域的所述深度为至少200λ/n。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个光阻挡元件位于距所述棱镜的多个边缘至少30mm，并提供所述最低阶模式与最高阶模式之间的照明相互作用长度或检测的相互作用长度中的实质性差异。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件位于距所述棱镜的边缘中的每一个小于或等于100mm。
9.一种测量波导模谱的方法，所述方法包括：
在棱镜的耦合表面与波导的表面之间形成耦合界面，所述波导具有有着标准化斜率的减小的折射率的表面区域，其中n＝n(z)是所述波导的折射率分布，作为从波导表面进入波导的距离z的函数，且λ是来自光源的光束的测量波长，所述表面区域从表面延伸到所述波导样品中，且所述棱镜具有输入表面与输出表面；
将不透明的光阻挡元件设置在所述输入表面与所述输出表面中的至少一个上并在从光源发出的光束的路径的一部分中，所述部分最靠近所述耦合表面与所述波导样品之间的接触平面，其中，所述光阻挡元件具有透射率，所述透射率是距所述接触平面的距离的可变函数，且所述透射率随着距所述接触平面的距离增加而增加，且其中，具有所述可变透射率的所述光阻挡元件不是圆形孔径；
下列两项的至少一项：
用所述不透明的光阻挡元件阻挡光束的至少一部分，其中，阻止所述光束的所述部分沿着所述光束的所述路径到达所述耦合表面的一部分；以及
用所述不透明的光阻挡元件阻挡从所述耦合界面反射的光的第一部分，其中，阻止所述第一部分到达检测器；
允许从所述耦合界面反射的光的第二部分到达所述检测器；以及
用所述检测器在对应于最低阶模式的位置处检测所述第二部分，并且从其反射第二部分的耦合界面的长度的那部分小于或等于最低阶模式的最大可能有效耦合长度的7倍或7mm，两者中取较小值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件是具有空间上变化的吸收的板。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件具有在第一侧附近具有更多开放空间的形状，所述第一侧是在所述棱镜-样品耦合平面的远端。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件是由基本上不透明的材料制成的。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，从所述第一侧到所述棱镜-样品耦合平面的开放空间中的变化是通过V形切割件来实现的。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述V形切割件形成30度与50度之间的角度γ。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件被定位在距所述棱镜的至少一个边缘长达100mm。
16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光阻挡元件被定位在距所述棱镜的至少一个边缘长达10mm。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于，光阻挡元件被设置在所述棱镜的所述输入侧与所述输出侧两侧上。
18.如权利要求9所述的方法，其特征在于，具有是距离的可变函数的所述透射率的所述光阻挡元件被设置在所述棱镜的一侧上并在所述光束的路径中，且具有空间上不变的透射率的矩形光阻挡元件被设置在所述棱镜的相对侧上并在所述光束的路径中。
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