CN1396445A - 双面金属波导测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
双面金属波导测量方法及其装置属于物理测量领域。装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、待测薄膜层、下层金属膜构成，待测薄膜层和上下层金属膜为双面金属波导结构，上下层金属膜为波导的上下覆盖层，光主要在待测薄膜层中传输。方法如下：在待测薄膜的两面采用蒸镀、溅射或其它方法形成本发明装置；选择激光波长和入射角度及偏振方式；接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从下层金属膜透射出的激光束光强；变化激光入射角度得到光强-入射角度曲线，找出导模吸收峰的共振角度和相应吸收峰的宽度和深度，计算得到薄膜材料的折射率和厚度值。本发明实现了高精确度、大量程、快速实时的测量，装置制造工艺简单、价格低廉、易于操作、小型化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测量方法及其装置，特别是一种双面金属波导测量方法及其装置，属于物理测量领域。
背景技术
近二十年来，随着激光技术特别是集成光电子学技术的发展，材料光学特性和厚度的测量以及光波导表征技术的研究和应用取得了长足的进步。其中，双波长法已经进入实用，对它的报道也较多。经文献检索发现，美国专利号为5034617，专利名称为：测量薄膜厚度和折射率的方法及装置，该专利提出了一种测量光学薄膜厚度的方法，该方法中，先选用某一波长λ1的激光光束入射到镀了光学薄膜的衬底材料上，然后观察反射光强，测量并记录反射光强极小点的入射角度，θ1和θ2，然后更换入射激光的波长λ2，再测得一个反射光强极小的角度θ3，然后把这五个数据代入公式即可计算得到待测薄膜的厚度和折射率。该方法能对薄膜的厚度以及折射率等光学特性进行测量，但由于在这种结构中，通过调整入射激光的光波长来得到第三个角度值，不可避免的带来了一定的色散，从而严重影响了测量结果的精度。另外报道较多的是一种棱镜耦合测量结构。激光通过耦合棱镜入射到镀了光学薄膜的衬底材料上，然后观察反射光强，测量并记录反射光强极小点的入射角度，θ1和θ2，然后更换耦合棱镜，再测得一个反射光强极小的角度θ3，然后把这五个数据代入公式即可计算得到待测薄膜的厚度和折射率。这种方法的好处是避免了双波长法带来的色散，但是，棱镜与待测薄膜之间的距离难以准确调节，而这又将对耦合效率产生极大的影响，导致两次耦合的效率不同，从而影响测量结果的精度。而且，为了能将光从棱镜中耦合到薄膜材料中，该方法要求待测材料的折射率要小于其耦合棱镜的折射率，极大的限制了该方法适用的测量范围。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种双面金属波导测量方法及其装置，使其适用于各种波长的激光，测量仪器小型化，操作简单，制造工艺简单、价格低廉，能对光学材料(包括薄膜以及体材料)的厚度和折射率、双折射系数、各向异性等以及光波导的传输损耗和导模模序数等参数进行精确测量和表征，薄膜材料的厚度从微米量级到毫米量级都能够实现精确的测量，并可在没有耦合器件的情况下实现直接耦合。
本发明的技术方案是这样实现的，本发明装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、待测薄膜层、下层金属膜构成，上层金属膜、待测薄膜层和下层金属膜为双面金属波导结构，上下层金属膜为波导的上下覆盖层，光主要在待测薄膜层中传输。
耦合器件采用高折射率棱镜(n＞1.5)、光栅和耦合波导等器件，或不用耦合器件，进行空气直接耦合，棱镜的形状可根据实际需要选择等边、或等腰、或柱面、或球面或其它常见或特殊形状。
上层金属膜和下层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数ε＝εr+iεi与工作波长有关，且该层金属膜的厚度应严格控制使入射光与导波的耦合最为有效。上层金属膜的厚度在20nm-80nm之间。下层金属膜的厚度可根据测量方式确定，采用反射光测量方式时，应大于100nm；而采用透射光测量方式时，一般应小于30nm。金属种类可选择银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，一般要求其介电常数实部εr≤-10，介电常数虚部εi≤5.0。
待测薄膜层的厚度在0.5μm-1000μm之间，厚度必须确保能承载三个以上的导波共振模式，其折射率在1.0-2.3之间，待测薄膜层处于波导结构的传输层，导波光就在待测薄膜层里传输，因此，待测薄膜的折射率等性质将最直接的影响导波光的传输性质，有效的提高了测量效率和精度。
本发明方法基于上述测量装置，用一种全新的思路实现了薄膜的折射率等光学特性和厚度的精确测量，并能对波导材料的各项参数进行表征，具体步骤如下：
第一步：在待测薄膜的两面采用蒸镀、溅射或其他方法形成本发明装置双面金属波导结构，其结构为“耦合器件-上层金属膜--待测薄膜层-下层金属膜”的四层结构；
第二步：选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方式，选用激光作为光源，工作波长可在可见和红外光频范围内选择，从激光器输出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在0到90度间变化时能激发多个共振吸收峰，偏振方式可根据测量要求选定，既可以选择横磁波(TM模)，也可选择横电波(TE模)；
第三步：在耦合器件的另一侧利用光强测量装置接收并记录从耦合器件底面反射的激光束光强，或从底面方向接收并记录从下层金属膜透射出的激光束光强；
第四步：在0到90度范围内连续变化激光入射角度，并同期记录其反射(透射)光强，形成反射(透射)光强—入射角度曲线，在曲线上找出导模吸收峰的共振角度和相应的吸收峰宽度和深度，然后，根据双面金属波导的特征公式，可以通过计算得到薄膜材料的折射率和厚度的精确值。
以下对本发明方法作进一步描述：
①利用双面金属波导的ATR导模吸收峰对于波导介质的折射率等光学特性非常敏感且有一一对应的特性，和反射(透射)光强随激光入射角度变化的曲线，将薄膜厚度和折射率等光学特性的测量以及波导参数的表征，转化为对反射光强随入射角度变化曲线的测量；
②利用双面金属波导的ATR导模吸收峰对于波导介质的折射率等光学特性非常敏感且一一对应的特性，选择ATR导模区作为工作区；
③工作点即入射角度选择在ATR吸收峰高阶模区、低阶模区和表面模区，包括在一个器件中使用多个工作点同时工作及使用透射光进行测量的情况；
④利用双面金属波导TE和TM模分离的特点，在对光偏振敏感的薄膜进行测量时，只用横电(TE)或横磁(TM)模光信号作为入射光，并用另一模式的光作为参考光，可以实现双光束计测，通过光信号的比对，有效的消除光源带来的噪音；
⑤利用双面金属波导能承载多个模式的特点(通常三个以上)，可以同时对待测薄膜的厚度进行测量，从而提高测量精度和实用性。
在本发明方法中，双面金属波导中ATR导模吸收峰的角度、深度和宽度等特征随薄膜的折射率、厚度等特性变化非常敏感且一一对应，利用这些参数结合波导特性公式对薄膜的折射率和厚度进行精确的测量，其实质是将薄膜的折射率和厚度等特性转化为与之一一对应的双面金属波导的导模吸收峰的各项参数，从而实现对薄膜折射率和厚度的精确测量。
本发明同现有的通过棱镜耦合对薄膜的光学特性和厚度进行测量的技术相比，具有以下优点：
测量量程大，精度高。利用本方法，对薄膜材料的折射率的测量在极限条件下可以达到0.5％左右，在正常工作条件下可以达到0.2％或更高，对薄膜厚度的测量精度在极限条件下可以达到0.3％左右，正常工作区可以达到0.1％或更高。相比通常的棱镜耦合测量技术而言，其厚度的测量量程可以扩展到从0.5个微米到1个毫米的量级。折射率的测量如果采用空气耦合的方式也突破了以往的要求薄膜材料的折射率要低于耦合棱镜折射率的限制。
方法简单，测量效率高。对薄膜的折射率和厚度的测量一次完成，无需更多步骤。
制备简单、成本低廉。利用双面金属波导的特性，可以省略耦合器件，采用空气直接耦合的方式进行测量，减少了测量部件，降低了测量成本。
制成的仪器具有小型化、易于携带等特点。按照本项技术制成的器件，体积很小，方便携带、安装，对测量环境的要求不高。
适用范围广。在通常的测量方法中，需要对待测薄膜的性质做出诸多限制，妨碍了测量方法的广泛应用。而在本项技术中，对薄膜的折射率、厚度都没有提出很多的要求，故而能够在一个更为广泛的领域中得到应用。
测量周期短，可以实现实时监测。本薄膜厚度和折射率及其它光学性质测量方法的反应时间主要取决于光强探测器的响应时间，因而能实现快速甚至实时测量。
可以对光偏振敏感的薄膜利用偏振光进行测量。在对光偏振敏感的薄膜进行测量时，可只用横电波(TE模)或横磁波(TM模)光信号作为入射光，并用另一模式的光作为参考光，可以实现双光束计测，通过光信号的比对，有效的消除光源带来的噪音。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明方法可以广泛应用于多种薄膜的光学特性和厚度的测量、光波导参数的表征等等方面，尤其是可以同时对薄膜折射率和厚度这两组参量进行测量，利用此项技术，可以实现高精确度、大量程、快速实时的测量，同时保证仪器具有制造工艺简单、价格低廉、易于操作、小型化、便于携带等高技术性能。
附图说明
图1本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明装置由上至下由耦合器件1、上层金属膜2、待测薄膜层3、下层金属膜4构成，上层金属膜2、待测薄膜层3和下层金属膜4为双面金属波导结构，上层金属膜2、下层金属膜4为波导的上下覆盖层，光主要在待测薄膜层3中传输。
耦合器件1可采用高折射率棱镜(n＞1.5)、光栅和耦合波导等器件，或进行空气直接耦合。在待测薄膜的两面采用蒸镀、溅射或其他方法形成双面金属波导结构，上层金属膜2和下层金属膜4选用对工作波长吸收较小的金属，金属介电常数ε＝εr+iεi与工作波长有关，且该金属膜的厚度应严格控制使入射光与导波的耦合最为有效。上层金属膜的厚度在20nm-80nm之间。下层金属膜的厚度根据测量方式确定，采用反射光测量方式时，应大于100nm；而采用透射光测量方式时，一般应小于30nm。金属种类为银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr≤-10，介电常数虚部εi≤5.0。
待测薄膜层3的厚度在0.5μm～1000μm之间，厚度必须能承载三个以上的导波共振模式，其折射率在1.0～2.3之间，待测薄膜层3处于波导结构的传输层，导波光就在待测薄膜层3里传输。
结合本发明的内容，提供以下三个实施例：
实施例一：
第一步：耦合器件1选用高折射率等边三角棱镜(n＝1.5)，在棱镜的底面和衬底材料上采用溅射方法镀上金属膜层，然后将两膜层拼合，并在其间留有空气薄层，形成双面金属波导结构，上层金属膜2厚度为34nm，待测薄膜3为空气，厚度的真实值为5μm，折射率真实值为1.0(介电系数为1.0)，下层金属膜4厚度为300nm，金属采用金(690.0nm波长下ε＝-14.4+i1.22)；
第二步：选用入射激光5波长为690.0nm，入射光为横磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之间扫描；
第三步：在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束6光强，反射光强极小值即为共振吸收峰，记录所激发的相邻三个共振吸收峰的角度，得：
θ1＝22.83度 θ2＝18.22度 θ3＝11.63度
将以上数据代入双面金属薄导的特性方程，
2π*sqrt(e1-N1 2)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N1 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N1 2)))；
2*π*sqrt(e1-N2 2)*d/λ＝(m+1)*π+2*arctan((e1*sqrt(N2 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N2 2)))；
2*π*sqrt(e1-N3 2)*d/λ＝(m+2)*π+2*arctan((e1*sqrt(N3 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N3 2)))；
其中：Ni＝n*sinθi，e2＝-14.4+1.22i(金属层的介电系数)，n＝1.5(耦合器件1折射率)，λ＝0.69(入射激光5波长)，m为模式阶数，是一个正整数，d为待测薄膜3的厚度，e1为待测薄膜3的介电系数。
解此联立方程组，得：
e1＝1.0021212 与真实值之间偏差为0.2％，
d＝5.00414133μm 与真实值之间偏差为0.08％；
m＝12.0
计算表明对待测薄膜3样品的介电系数(折射率的平方)检测可以达到0.2％的精度，对薄膜厚度的检测可以达到0.08％的精度。
实施例二：
第一步：耦合器件1选用高折射率等边金红石棱镜(n＝2.8)，在待测薄膜的两面采用溅射方法形成双面金属波导结构，上层金属膜2厚度为48nm，待测薄膜3为铌酸锂，厚度的真实值为0.5μm，折射率真实值为2.22(介电系数为4.9284)，下层金属膜4厚度为300nm。金属采用银(560.0nm波长下ε＝-12.0+i0.4)。
第二步：选用入射激光波5长为560.0nm，入射光为横磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之间扫描；
第三步：在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束6光强，反射光强极小值即为共振吸收峰，记录所激发的相邻三个共振吸收峰的角度，得：
θ1＝48.76度 θ2＝38.51度 θ3＝19.47度
将以上数据代入双面金属薄导的特性方程，
2π*sqrt(e1-N1 2)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N1 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N1 2)))；
2*π*sqrt(e1-N2 2)*d/λ＝(m+1)*π+2*arctan((e1*sqrt(N2 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N2 2)))；
2*π*sqrt(e1-N3 2)*d/λ＝(m+2)*π+2*arctan((e1*sqrt(N3 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N3 2))；
其中：Ni＝n*sinθi，e2＝-12.0+0.4i(金属层的介电系数)，n＝2.8(耦合器件1折射率)，λ＝0.56(入射激光5波长)，m为模式阶数，是一个正整数，d为待测薄膜3的厚度，e1为待测薄膜3的介电系数。
解此联立方程组，得：
e1＝4.93331422 与真实值之间偏差为0.1％，
d＝0.501123276μm 与真实值之间偏差为0.224％；
m＝2.0
计算表明对待测薄膜3样品的介电系数(折射率的平方)检测可以达到0.1％的精度，对薄膜厚度的检测可以达到0.224％的精度。
实施例三：
第一步：本例不采用耦合器件1，而使用空气直接耦合的方法激发导模(n＝1.0)，在待测薄膜的两面采用溅射方法形成双面金属波导结构，上层金属膜2厚度为34nm，待测薄膜3厚度的真实值为1000μm，折射率真实值为1.673(介电系数为2.8)，下层金属膜4厚度为300nm，金属采用金(890.0nm波长下ε＝-34.5+i2.47)。
第二步：选用入射激光5波长为890.0nm，入射光为横磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之间扫描；
第三步：在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束6光强，反射光强极小值即为共振吸收峰，因为在此实例中，待测薄膜3的厚度较大，所以激发的模式很多，相邻模式之间的距离很小，因此选取从零度开始的第一、第四、第七个模式来计算，记录所选取的三个共振吸收峰的角度，得：
θ1＝5.625度 θ2＝4.114度 θ3＝1.494度
将以上数据代入双面金属薄导的特性方程，
2π*sqrt(e1-N1 2)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N1 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N1 2)))；
2*π*sqrt(e1-N2 2)*d/λ＝(m+3)*π+2*arctan((e1*sqrt(N2 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N2 2)))；
2*π*sqrt(e1-N3 2)*d/λ＝(m+6)*π+2*arctan((e1*sqrt(N3 2-e2))/(e2*sqrt(e1-N3 2)))；
其中：Ni＝n*sinθi，e2＝-34.5+2.47i(金属层的介电系数)，n＝1.0(空气折射率)，λ＝0.89(入射激光5波长)，m为模式阶数，是一个正整数，本实例中会很大，d为待测薄膜3的厚度，e1为待测薄膜3的介电系数。
解此联立方程组，得：
e1＝2.7842007 与真实值之间偏差为0.57％，
d＝997.162568μm 与真实值之间偏差为0.28％；
m＝3732
计算表明对待测薄膜3样品的介电系数(折射率的平方)检测可以达到0.57％的精度，对薄膜厚度的检测可以达到0.28％的精度。
Claims (8)
1、一种双面金属波导测量装置，其特征在于由上至下由耦合器件(1)、上层金属膜(2)、待测薄膜层(3)、下层金属膜(4)构成，上层金属膜(2)、待测薄膜层(3)和下层金属膜(4)为双面金属波导结构，上层金属膜(2)、下层金属膜(4)为波导的上下覆盖层，光主要在待测薄膜层(3)中传输。
2、根据权利要求1所述的这种双面金属波导测量装置，其特征是耦合器件(1)采用高折射率棱镜n＞1.5、光栅和耦合波导等器件，或进行空气直接耦合。
3、根据权利要求1所述的这种双面金属波导测量装置，其特征是上层金属膜(2)和下层金属膜(4)选用对工作波长吸收较小的金属。
4、根据权利要求3所述的这种双面金属波导测量装置，其特征是金属膜的金属种类为银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr≤-10，介电常数虚部εi≤5.0。
5、根据权利要求1所述的这种双面金属波导测量装置，其特征是上层金属膜(2)的厚度在20nm～80nm之间，下层金属膜(4)的厚度根据测量方式确定，采用反射光测量方式时，大于100nm，采用透射光测量方式时，小于30nm。
6、根据权利要求1所述的这种双面金属波导测量装置，其特征是待测薄膜层(3)的厚度在0.5μm～1000μm之间，厚度必须承载三个以上的导波共振模式，其折射率在1.0～2.3之间，待测薄膜层(3)处于波导结构的传输层，导波光在待测薄膜层(3)里传输。
7、一种双面金属波导测量方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步：在待测薄膜的两面用蒸镀、溅射或其它方法，形成本发明装置双面金属波导结构；
第二步：选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方式，用激光作为光源，工作波长可在可见和红外光频范围内选择，从激光器(8)输出的激光束(5)以一定的入射角度(7)入射到耦合器件(1)上，入射角度(7)激发多个共振吸收峰，偏振方式为TM模入射，或TE模入射；
第三步：在耦合器件的另一侧利用光强测量装置(9)接收并记录从耦合器件底面反射的激光束(6)光强，或从底面方向接收并记录从下层金属膜透射出的激光束光强；
第四步：在0到90度范围内连续变化激光入射角度(7)，并同期记录其反射透射光强，形成反射透射光强一入射角度曲线，在曲线上找出导模吸收峰的共振角度和相应的吸收峰宽度和深度，通过计算得到薄膜材料的折射率和厚度的精确值。
8、根据权利要求7所述的这种双面金属波导测量方法，其特征是以下对本发明方法作进一步描述：
①将薄膜厚度和折射率等光学特性的测量以及波导参数的表征，转化为对反射光强随入射角度变化曲线的测量；
②选择ATR导模区作为工作区；
③工作点即入射角度(7)选择在ATR吸收峰高阶模区、低阶模区和表面模区，包括在一个器件中使用多个工作点同时工作及使用透射光进行测量的情况；
④在对光偏振敏感的薄膜进行测量时，只用横电TE或横磁TM模光信号作为入射光，并用另一模式的光作为参考光，实现双光束计测；
⑤双面金属波导承载多个模式，同时对待测薄膜(3)厚度和折射率进行测量。
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