澳大利亞Metricon 2010/M棱鏡耦合器描述：

Metricon 2010/M 型棱鏡耦合器采用光波導(dǎo)技術(shù)，可快速、準(zhǔn)確地測(cè)量介電膜和聚合物薄膜的厚度、折射率/雙折射率，以及塊狀材料的折射率。與基于橢圓偏振法或分光光度法的傳統(tǒng)折光儀和儀器相比，2010/M 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

完全通用 – 無(wú)需了解薄膜/基板的光學(xué)特性

常規(guī)索引分辨率為 ±.0005（精度高達(dá) ±.0001，適用于許多應(yīng)用 - 參見(jiàn)規(guī)格）

常規(guī)索引分辨率為 ±.0003（分辨率高達(dá) ±.00005，適用于許多應(yīng)用 - 參見(jiàn)規(guī)格）

本體、基材或液體材料的高精度指數(shù)測(cè)量，包括雙折射/各向異性

快速（20 秒）表征薄膜或漫射光波導(dǎo)或 SPR 傳感器結(jié)構(gòu)

折射率與波長(zhǎng)的簡(jiǎn)單測(cè)量

可選擇測(cè)量指數(shù)與溫度 （dn/dT） 和波導(dǎo)損耗的關(guān)系

指數(shù)測(cè)量范圍寬 （1.0-3.35）

2010/M 型是其前身 2010 型的重大改進(jìn)，提供與 Windows XP/Vista/Seven 的兼容性，這是一個(gè)經(jīng)過(guò)大幅改進(jìn)且用戶友好的基于 Windows 的控制程序，以及新的測(cè)量功能，例如能夠?qū)Ψ浅：竦谋∧みM(jìn)行準(zhǔn)確的厚度和折射率測(cè)量，以及測(cè)量折射率與溫度 （dn/dT） 的選項(xiàng)。它還消除了對(duì) 2010 所需的現(xiàn)已過(guò)時(shí)的 ISA 接口卡的需求。

測(cè)量理論

待測(cè)樣品（下圖 1）通過(guò)氣動(dòng)耦合頭與棱鏡底部接觸，在薄膜和棱鏡之間形成一個(gè)小氣隙。激光束撞擊棱鏡的底部，通常在棱鏡底部完全反射到光電探測(cè)器上。在入射角的某些離散值（稱為模式角）下，光子可以穿過(guò)氣隙進(jìn)入薄膜并進(jìn)入引導(dǎo)光傳播模式，從而導(dǎo)致到達(dá)檢測(cè)器的光強(qiáng)度急劇下降：

粗略地估計(jì)，第一種模式 （dip） 的角度位置決定了薄膜指數(shù)，而兩種模式之間的角度差決定了厚度，從而可以完全獨(dú)立地測(cè)量厚度和指數(shù)。

使用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，該旋轉(zhuǎn)臺(tái)改變?nèi)肷浣?，并自?dòng)定位每種薄膜傳播模式。一旦找到兩個(gè)振型角，就可以計(jì)算出薄膜厚度和折射率。整個(gè)測(cè)量過(guò)程是完全自動(dòng)化的，大約需要 20 秒。

給定折射率的薄膜支持的模式數(shù)量隨著薄膜厚度的增加而增加。對(duì)于大多數(shù)薄膜/基板組合，需要 100-200 nm 的厚度來(lái)支持第一種模式，而 1 微米范圍內(nèi)的薄膜可以支持多達(dá)四到五種模式。如果薄膜的厚度足以支持兩種或多種傳播模式（通常為 300-500 nm），則 2010/M 型會(huì)計(jì)算每對(duì)模式的厚度和折射率，并顯示這些多重估計(jì)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算是棱鏡耦合技術(shù)獨(dú)有的，是測(cè)量自洽性的指標(biāo)，也是確認(rèn)測(cè)量有效性的有力手段。

可以對(duì)厚度達(dá) 10-15 微米的大多數(shù)樣品進(jìn)行厚度和折射率的測(cè)量。對(duì)于厚度超過(guò) 15 微米的樣品，仍然可以使用整體測(cè)量技術(shù)測(cè)量折射率（見(jiàn)下文），盡管許多樣品的厚度和折射率通常在厚度高達(dá) 150-200 微米時(shí)可以測(cè)量。

當(dāng)用作折光儀測(cè)量塊狀材料的折射率時(shí)（上圖 2），樣品也被夾在棱鏡上，并通過(guò)測(cè)量樣品/棱鏡界面的臨界角 θc 來(lái)確定折射率。厚度超過(guò) 10-15 微米的薄膜通常顯示出明顯的臨界拐點(diǎn)角，可以作為散裝材料進(jìn)行測(cè)量。柔性材料易于測(cè)量，并且有一個(gè)電解池可用于液體測(cè)量。與大多數(shù)單波長(zhǎng)（通常為 589 nm）的傳統(tǒng)折光儀不同，2010/M 可配備多達(dá)五個(gè)激光器，從而可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)輕松測(cè)量色散。

通過(guò)改變激光器的偏振態(tài)，可以在 x、y 和 z 方向上測(cè)量薄膜和塊狀材料的折射率各向異性（雙折射）。

2010/M 型優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有的薄膜表征方法相比，2010/M 型采用棱鏡耦合技術(shù)，具有其他幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

共性：2010/M 型數(shù)據(jù)分析軟件是完全通用的，幾乎可以測(cè)量任何薄膜，而無(wú)需了解薄膜或基材的光學(xué)特性。

索引精度、分辨率和穩(wěn)定性：棱鏡耦合技術(shù)為薄膜測(cè)量提供了比任何其他薄膜測(cè)量技術(shù)更高的索引精度和分辨率。此外，由于折射率測(cè)量?jī)H對(duì)棱鏡的耦合角和折射率敏感（不隨時(shí)間變化），因此棱鏡耦合測(cè)量隨著時(shí)間的推移非常穩(wěn)定，因此無(wú)需定期校準(zhǔn) 2010/M。

對(duì)波長(zhǎng)隨索引變化引起的誤差不敏感：每片膠片的折射率隨波長(zhǎng)而變化。在依賴分光光度法（干涉與波長(zhǎng)）的技術(shù)中，如果不能準(zhǔn)確知道薄膜在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的折射率變化，將導(dǎo)致大量誤差。此外，許多薄膜的折射率與波長(zhǎng)曲線高度依賴于薄膜沉積條件。對(duì)于此類薄膜，2010/M 型的單色測(cè)量具有明顯的優(yōu)勢(shì)。如果必須測(cè)定各種波長(zhǎng)的折射率，則 2010/M 型可以配置多達(dá)五個(gè)激光器，并且可以在不到 5 秒的時(shí)間內(nèi)從單個(gè)折射率測(cè)量中生成連續(xù)的折射率與波長(zhǎng)曲線。

與橢圓偏振法相比的優(yōu)勢(shì)：由于橢偏儀數(shù)據(jù)隨薄膜厚度呈周期性變化，因此單波長(zhǎng)橢圓偏振儀需要預(yù)先了解薄膜厚度，精度為 ±75 至 ±125 nm，具體取決于薄膜指數(shù)。2010/M 型可直接測(cè)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圍內(nèi)，使用單波長(zhǎng)橢圓偏振儀進(jìn)行折射率測(cè)量是不可能的。使用 2010/M，一旦薄膜厚度超過(guò)某個(gè)最小閾值（通常為 300-500 nm，取決于薄膜/基板類型），即可獲得全精度指數(shù)測(cè)量值。多波長(zhǎng)橢圓偏振儀為精確的薄膜測(cè)量提供了潛力，但數(shù)據(jù)分析非常復(fù)雜，通常只有在對(duì)樣品的光學(xué)參數(shù)有廣泛的預(yù)先了解的情況下才能獲得良好的結(jié)果。

材料色散的簡(jiǎn)單“光譜”測(cè)量：2010/M 型可在離散激光波長(zhǎng)處測(cè)量折射率，通常配備 1-5 個(gè)激光器。對(duì)于具有三個(gè)激光器的系統(tǒng)，Metricon® 使用新穎的擬合技術(shù)開(kāi)發(fā)了軟件，可以在短短幾秒鐘內(nèi)計(jì)算出擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍（例如 400-700 nm 或 633-1550 nm）內(nèi)極其精確的折射率與波長(zhǎng)曲線。四個(gè)或五個(gè)激光系統(tǒng)分別在 400-1064 和 400-1550 nm 范圍內(nèi)提供精確的色散曲線。在大多數(shù)情況下，在中間波長(zhǎng)下計(jì)算的指數(shù)值與激光在該波長(zhǎng)下測(cè)量的指數(shù)幾乎相同。

在透明基材上的測(cè)量：2010/M 型可用于測(cè)量透明基板上的薄膜，即使薄膜和基板之間的折射率匹配相對(duì)較近。此外，棱鏡耦合技術(shù)對(duì)來(lái)自基板背面的反射不敏感，這在橢圓偏振法和其他薄膜測(cè)量技術(shù)中通常很麻煩。

內(nèi)部自洽檢查：如果薄膜厚度超過(guò) 500-750 nm，則對(duì)薄膜厚度和指數(shù)進(jìn)行多個(gè)獨(dú)立估計(jì)，并顯示這些多個(gè)估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差。只要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差較低（厚度通常為 0.3%，指數(shù)為 0.01%），則不太可能出現(xiàn)明顯的誤差。沒(méi)有其他技術(shù)對(duì)每次測(cè)量的有效性提供類似的 “置信度檢查”。

更輕松、更準(zhǔn)確地測(cè)量散裝物料的指數(shù)：2010/M 可以在 x、y 和 z 方向上測(cè)量 1.0 至 3.35 的折射率，并且測(cè)量是全自動(dòng)的，沒(méi)有傳統(tǒng)折光儀常見(jiàn)的操作員主觀性。2010/M 不需要使用雜亂、有毒或腐蝕性的匹配液體，并且可以處理光學(xué)平整度或拋光度相對(duì)較差的樣品（甚至可以測(cè)量略微圓潤(rùn)的鑄造“斑點(diǎn)”）。

2010/M 的限制

厚度必須足以支持兩種或多種傳播模式。在 633 nm 的測(cè)量波長(zhǎng)下，這為高折射率襯底（例如硅或 GaAs）上的薄膜確定了 300 至 500 nm 的厚度下限。對(duì)于較低折射率基底上的薄膜，最小厚度限制可以降低多達(dá) 2 倍，如果假設(shè)薄膜折射率，通常可以對(duì)薄至 100-200 nm 的單模薄膜進(jìn)行僅厚度測(cè)量。通過(guò)首先測(cè)量較短波長(zhǎng)（如 633 nm）的厚度和折射率，可以準(zhǔn)確測(cè)量較長(zhǎng)波長(zhǎng)（例如 1310 或 1550 nm）的單模薄膜。然后，可以在較短波長(zhǎng)處測(cè)得的厚度與在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下測(cè)得的單模一起使用，以提供準(zhǔn)確的指數(shù)測(cè)量。

如果薄膜厚度低于最小可測(cè)量閾值，則不會(huì)進(jìn)行錯(cuò)誤測(cè)量，而 2010/M 只會(huì)通知用戶無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。上述最小厚度限制只是近似值，詳細(xì)取決于薄膜和基材的折射率以及測(cè)量波長(zhǎng)。

另一個(gè)限制是基于棱鏡耦合技術(shù)涉及與被測(cè)表面的接觸這一事實(shí)。因此，對(duì)于需要高清潔度的應(yīng)用，通常在非產(chǎn)品測(cè)試樣品上進(jìn)行 2010/M 型測(cè)量。

可測(cè)量薄膜/基材

大多數(shù) 2010/M 型應(yīng)用都圍繞著快速準(zhǔn)確地測(cè)量通過(guò)等離子體、低溫或其他沉積方法沉積的可變折射率薄膜的需求，或測(cè)量科學(xué)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)很少的新型或不尋常的薄膜或散裝材料的需求。對(duì)于這些應(yīng)用，2010/M 型提供針對(duì)任何折射率變化進(jìn)行全面校正的厚度測(cè)量。

幾乎可以測(cè)量任何在測(cè)量波長(zhǎng)下不強(qiáng)吸收的薄膜，只要薄膜足夠厚以支持至少兩種光傳播模式（有關(guān)典型的最小厚度，請(qǐng)參閱規(guī)格）。薄膜幾乎可以在任何基材上測(cè)量，包括高折射率或吸收性基材，如硅或金屬。實(shí)際上，任何在測(cè)量波長(zhǎng)下不強(qiáng)吸收的塊狀材料也是可以測(cè)量的。以下是 Metricon® 系統(tǒng)測(cè)量的具有代表性的薄膜和基材或散裝材料類型列表（以下任何薄膜材料的獨(dú)立薄膜或散裝樣品也可測(cè)量）：

薄膜：SiO2（摻雜和未摻雜）、氮化硅、等離子體 SiN、氮氧化硅、光刻膠、聚酰亞胺、聚酰胺、液晶、PMMA、全息凝膠、溶膠凝膠、硅、SiC、金剛石、落射石榴石、電光聚合物、AlGaAs、BaTiO3、GaN、InP、ITO、KTP、MgO、PZT、PLZT、Si、Ta2O5、TiO2、YIG、ZnS、ZnSe、ZnCdSe、ZnMnTe、ZnMgTe。

塊狀或基材：石英、光學(xué)玻璃、硫系玻璃、藍(lán)寶石、PET、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、LiNbO3、LiTaO3、SiC、ZnS、GaP、GGG、MgO、YAG等激光晶體。

準(zhǔn)確性和便利性

總之，2010/M 型是一款將精度與生產(chǎn)工具的速度、便利性和多功能性相結(jié)合的儀器。無(wú)需事先了解膠片參數(shù)，在 20 秒的自動(dòng)測(cè)量中，2010/M 提供了常規(guī)的索引精度和分辨率，充其量只能通過(guò)昂貴和笨重的研究?jī)x器來(lái)達(dá)到。

2010/M 獨(dú)立測(cè)量厚度和折射率，因此厚度測(cè)量針對(duì)折射率變化進(jìn)行了完全校正。此外，測(cè)量的厚度是直接的（而不是增量的），因此無(wú)需預(yù)先確定薄膜的大致厚度或干涉順序。2010/M 在測(cè)量較厚的薄膜、透明基材上的薄膜方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且沒(méi)有無(wú)法進(jìn)行折射率測(cè)量的周期性厚度范圍。所有這些優(yōu)點(diǎn)都是完全通用的，既適用于普通材料，也適用于以前從未表征過(guò)的新型材料。

2010/M 規(guī)格

索引精度：±.0005（壞的情況）。絕對(duì)折射率精度主要受到確定測(cè)量棱鏡角度和折射率的不確定性的限制。對(duì)于光學(xué)質(zhì)量合理的樣品，如果使用高分辨率表格，并且如果用戶愿意對(duì)每個(gè)棱鏡執(zhí)行簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序，則可以實(shí)現(xiàn) ±.0001-.0002 的絕對(duì)折射率精度。NIST、熔融石英和其他標(biāo)準(zhǔn)品可用于指數(shù)校準(zhǔn)。

索引分辨率：±.0003（壞的情況）。對(duì)于光學(xué)質(zhì)量合理的樣品，通過(guò)使用高分辨率轉(zhuǎn)臺(tái)（一種免費(fèi)選項(xiàng)），可以將索引分辨率提高到 ±.00005（見(jiàn)下文）。

厚度精度：±（0.5% + 5 nm）

厚度分辨率：±0.3%

工作波長(zhǎng)：低功率 （0.8 mw） He-Ne 激光器 （632.8 nm），CDRH II 類。提供用于測(cè)量較薄薄膜的可選較短波長(zhǎng)（405、450、473、532、594 nm）和用于光纖/集成光學(xué)應(yīng)用的近紅外（830、980、1064、1310、1550 nm）波長(zhǎng)?？蛇x離子源將 CDRH 安全等級(jí)更改為 IIIa 或 IIIb。

典型測(cè)量時(shí)間：使用標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái) 10-25 秒，使用高分辨率工作臺(tái) 20-75 秒。

測(cè)量區(qū)域：雖然薄膜和測(cè)量棱鏡在大約 8 mm 見(jiàn)方的面積上接觸，但實(shí)際測(cè)量的薄膜面積直徑僅為 1 mm。

折光率測(cè)量范圍：使用標(biāo)準(zhǔn)棱鏡，可以測(cè)量折射率為 2.65 及以下的薄膜和塊狀材料。專用棱鏡可用于高達(dá) 3.35 的指數(shù)測(cè)量。

可測(cè)量的薄膜類型/厚度范圍：2010/M 型幾乎可以測(cè)量任何非金屬或在工作波長(zhǎng)下具有非常高吸收性的薄膜類型。在許多情況下，只要頂部薄膜具有較高的折射率，雙膜層的一個(gè)或兩個(gè)薄膜的厚度和折射率是可測(cè)量的*。厚度必須超過(guò)最小閾值，該閾值取決于薄膜和基材（或底層薄膜）指數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn) （633 nm） 工作波長(zhǎng)下，常見(jiàn)單層或上層薄膜類型可測(cè)量的厚度范圍示例（對(duì)于其他薄膜類型，在具有接近折射率的示例薄膜之間進(jìn)行插值）：

散裝材料/厚膜的僅折射率測(cè)量：材質(zhì)必須是透明或半透明的。使用標(biāo)準(zhǔn)棱鏡可測(cè)量的最大折射率為 2.65（使用高折射率棱鏡時(shí)為 3.35）。精度和分辨率與薄膜測(cè)量相同（見(jiàn)上文）。批量測(cè)量的典型測(cè)量時(shí)間為 10-20 秒。

基材/尺寸：幾乎可以在任何拋光襯底材料上進(jìn)行薄膜測(cè)量，包括硅、GaAs、玻璃、石英、藍(lán)寶石、GGG 和鈮酸鋰，樣品幾乎可以是任何尺寸或形狀。標(biāo)準(zhǔn)裝置可接受最大 8 英寸（200 毫米）見(jiàn)方的樣品。

棱鏡類型：四種標(biāo)準(zhǔn)棱鏡類型可用于測(cè)量各種折射率范圍內(nèi)的薄膜。棱鏡可在大約一分鐘內(nèi)輕松互換，從而允許在單個(gè)系統(tǒng)中使用多種棱鏡類型：

旋轉(zhuǎn)臺(tái)步長(zhǎng)：3.0 或 1.5 分鐘，鍵盤(pán)可選。更高分辨率的樣品臺(tái)（0.9/0.45 或 0.6/0.3 分鐘）也可作為免費(fèi)選件提供。當(dāng)薄膜厚度超過(guò) 5-7 微米時(shí)，或者當(dāng)需要提高索引分辨率和準(zhǔn)確性時(shí)，建議使用更高分辨率的表格。

主要選項(xiàng)：提供允許測(cè)量波導(dǎo)損耗和確定指數(shù)與溫度（高達(dá) 150-200o C）的選項(xiàng)。VAMFO 選項(xiàng)僅允許對(duì)厚度進(jìn)行非接觸式測(cè)量。

PC 要求：可在 Windows 98、2000、XP、Vista 或 Seven 上運(yùn)行。RS232 串行 （COM1） 端口必須可用，并且其他應(yīng)用程序無(wú)法訪問(wèn)。

所需服務(wù)：用于激光電源、接口模塊、打印機(jī)（每個(gè) 0.5 安培）和 PC（2.0 安培）的 100-250 VAC 插座。60 psi 空氣 （0.01 cfm）。該裝置可以安裝在普通工作臺(tái)上 — 不需要隔振。

尺寸：整個(gè)系統(tǒng)安裝需要 45 英寸（108 厘米）寬、27 英寸（61 厘米）深、15 英寸（38 厘米）高的區(qū)域。系統(tǒng)總重量（包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)）為 92 磅（41 千克）。單個(gè)尺寸/重量：

光學(xué)模塊：寬 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）。

電腦/顯示器：寬 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：寬 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 型號(hào)訂購(gòu)/選件指南