專利名稱：雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量方法及其裝置，特別是一種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法及其裝置，屬于物理測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近二十年來(lái)，隨著激光技術(shù)特別是集成光電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料光學(xué)特性和厚度的測(cè)量以及光波導(dǎo)表征技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中，雙波長(zhǎng)法已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用，對(duì)它的報(bào)道也較多。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利號(hào)為5034617，專利名稱為測(cè)量薄膜厚度和折射率的方法及裝置，該專利提出了一種測(cè)量光學(xué)薄膜厚度的方法，該方法中，先選用某一波長(zhǎng)λ1的激光光束入射到鍍了光學(xué)薄膜的襯底材料上，然后觀察反射光強(qiáng)，測(cè)量并記錄反射光強(qiáng)極小點(diǎn)的入射角度，θ1和θ2，然后更換入射激光的波長(zhǎng)λ2，再測(cè)得一個(gè)反射光強(qiáng)極小的角度θ3，然后把這五個(gè)數(shù)據(jù)代入公式即可計(jì)算得到待測(cè)薄膜的厚度和折射率。該方法能對(duì)薄膜的厚度以及折射率等光學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，但由于在這種結(jié)構(gòu)中，通過(guò)調(diào)整入射激光的光波長(zhǎng)來(lái)得到第三個(gè)角度值，不可避免的帶來(lái)了一定的色散，從而嚴(yán)重影響了測(cè)量結(jié)果的精度。另外報(bào)道較多的是一種棱鏡耦合測(cè)量結(jié)構(gòu)。激光通過(guò)耦合棱鏡入射到鍍了光學(xué)薄膜的襯底材料上，然后觀察反射光強(qiáng)，測(cè)量并記錄反射光強(qiáng)極小點(diǎn)的入射角度，θ1和θ2，然后更換耦合棱鏡，再測(cè)得一個(gè)反射光強(qiáng)極小的角度θ3，然后把這五個(gè)數(shù)據(jù)代入公式即可計(jì)算得到待測(cè)薄膜的厚度和折射率。這種方法的好處是避免了雙波長(zhǎng)法帶來(lái)的色散，但是，棱鏡與待測(cè)薄膜之間的距離難以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，而這又將對(duì)耦合效率產(chǎn)生極大的影響，導(dǎo)致兩次耦合的效率不同，從而影響測(cè)量結(jié)果的精度。而且，為了能將光從棱鏡中耦合到薄膜材料中，該方法要求待測(cè)材料的折射率要小于其耦合棱鏡的折射率，極大的限制了該方法適用的測(cè)量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法及其裝置，使其適用于各種波長(zhǎng)的激光，測(cè)量?jī)x器小型化，操作簡(jiǎn)單，制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，能對(duì)光學(xué)材料(包括薄膜以及體材料)的厚度和折射率、雙折射系數(shù)、各向異性等以及光波導(dǎo)的傳輸損耗和導(dǎo)模模序數(shù)等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量和表征，薄膜材料的厚度從微米量級(jí)到毫米量級(jí)都能夠?qū)崿F(xiàn)精確的測(cè)量，并可在沒(méi)有耦合器件的情況下實(shí)現(xiàn)直接耦合。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明裝置由上至下由耦合器件、上層金屬膜、待測(cè)薄膜層、下層金屬膜構(gòu)成，上層金屬膜、待測(cè)薄膜層和下層金屬膜為雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上下層金屬膜為波導(dǎo)的上下覆蓋層，光主要在待測(cè)薄膜層中傳輸。
耦合器件采用高折射率棱鏡(n＞1.5)、光柵和耦合波導(dǎo)等器件，或不用耦合器件，進(jìn)行空氣直接耦合，棱鏡的形狀可根據(jù)實(shí)際需要選擇等邊、或等腰、或柱面、或球面或其它常見(jiàn)或特殊形狀。
上層金屬膜和下層金屬膜一般可選用對(duì)工作波長(zhǎng)吸收較小的金屬，金屬介電常數(shù)ε＝εr+iεi與工作波長(zhǎng)有關(guān)，且該層金屬膜的厚度應(yīng)嚴(yán)格控制使入射光與導(dǎo)波的耦合最為有效。上層金屬膜的厚度在20nm-80nm之間。下層金屬膜的厚度可根據(jù)測(cè)量方式確定，采用反射光測(cè)量方式時(shí)，應(yīng)大于100nm；而采用透射光測(cè)量方式時(shí)，一般應(yīng)小于30nm。金屬種類可選擇銀、金、鋁、銅等在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)虛部較小的金屬，一般要求其介電常數(shù)實(shí)部εr≤-10，介電常數(shù)虛部εi≤5.0。
待測(cè)薄膜層的厚度在0.5μm-1000μm之間，厚度必須確保能承載三個(gè)以上的導(dǎo)波共振模式，其折射率在1.0-2.3之間，待測(cè)薄膜層處于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸層，導(dǎo)波光就在待測(cè)薄膜層里傳輸，因此，待測(cè)薄膜的折射率等性質(zhì)將最直接的影響導(dǎo)波光的傳輸性質(zhì)，有效的提高了測(cè)量效率和精度。
本發(fā)明方法基于上述測(cè)量裝置，用一種全新的思路實(shí)現(xiàn)了薄膜的折射率等光學(xué)特性和厚度的精確測(cè)量，并能對(duì)波導(dǎo)材料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行表征，具體步驟如下第一步在待測(cè)薄膜的兩面采用蒸鍍、濺射或其他方法形成本發(fā)明裝置雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為“耦合器件-上層金屬膜--待測(cè)薄膜層-下層金屬膜”的四層結(jié)構(gòu)；第二步選擇合適的激光波長(zhǎng)和入射角度以及偏振方式，選用激光作為光源，工作波長(zhǎng)可在可見(jiàn)和紅外光頻范圍內(nèi)選擇，從激光器輸出的激光束入射到耦合器件上，要求入射角度在0到90度間變化時(shí)能激發(fā)多個(gè)共振吸收峰，偏振方式可根據(jù)測(cè)量要求選定，既可以選擇橫磁波(TM模)，也可選擇橫電波(TE模)；第三步在耦合器件的另一側(cè)利用光強(qiáng)測(cè)量裝置接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強(qiáng)，或從底面方向接收并記錄從下層金屬膜透射出的激光束光強(qiáng)；第四步在0到90度范圍內(nèi)連續(xù)變化激光入射角度，并同期記錄其反射(透射)光強(qiáng)，形成反射(透射)光強(qiáng)—入射角度曲線，在曲線上找出導(dǎo)模吸收峰的共振角度和相應(yīng)的吸收峰寬度和深度，然后，根據(jù)雙面金屬波導(dǎo)的特征公式，可以通過(guò)計(jì)算得到薄膜材料的折射率和厚度的精確值。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步描述①利用雙面金屬波導(dǎo)的ATR導(dǎo)模吸收峰對(duì)于波導(dǎo)介質(zhì)的折射率等光學(xué)特性非常敏感且有一一對(duì)應(yīng)的特性，和反射(透射)光強(qiáng)隨激光入射角度變化的曲線，將薄膜厚度和折射率等光學(xué)特性的測(cè)量以及波導(dǎo)參數(shù)的表征，轉(zhuǎn)化為對(duì)反射光強(qiáng)隨入射角度變化曲線的測(cè)量；②利用雙面金屬波導(dǎo)的ATR導(dǎo)模吸收峰對(duì)于波導(dǎo)介質(zhì)的折射率等光學(xué)特性非常敏感且一一對(duì)應(yīng)的特性，選擇ATR導(dǎo)模區(qū)作為工作區(qū)；③工作點(diǎn)即入射角度選擇在ATR吸收峰高階模區(qū)、低階模區(qū)和表面模區(qū)，包括在一個(gè)器件中使用多個(gè)工作點(diǎn)同時(shí)工作及使用透射光進(jìn)行測(cè)量的情況；④利用雙面金屬波導(dǎo)TE和TM模分離的特點(diǎn)，在對(duì)光偏振敏感的薄膜進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只用橫電(TE)或橫磁(TM)模光信號(hào)作為入射光，并用另一模式的光作為參考光，可以實(shí)現(xiàn)雙光束計(jì)測(cè)，通過(guò)光信號(hào)的比對(duì)，有效的消除光源帶來(lái)的噪音；⑤利用雙面金屬波導(dǎo)能承載多個(gè)模式的特點(diǎn)(通常三個(gè)以上)，可以同時(shí)對(duì)待測(cè)薄膜的厚度進(jìn)行測(cè)量，從而提高測(cè)量精度和實(shí)用性。
在本發(fā)明方法中，雙面金屬波導(dǎo)中ATR導(dǎo)模吸收峰的角度、深度和寬度等特征隨薄膜的折射率、厚度等特性變化非常敏感且一一對(duì)應(yīng)，利用這些參數(shù)結(jié)合波導(dǎo)特性公式對(duì)薄膜的折射率和厚度進(jìn)行精確的測(cè)量，其實(shí)質(zhì)是將薄膜的折射率和厚度等特性轉(zhuǎn)化為與之一一對(duì)應(yīng)的雙面金屬波導(dǎo)的導(dǎo)模吸收峰的各項(xiàng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜折射率和厚度的精確測(cè)量。
本發(fā)明同現(xiàn)有的通過(guò)棱鏡耦合對(duì)薄膜的光學(xué)特性和厚度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)測(cè)量量程大，精度高。利用本方法，對(duì)薄膜材料的折射率的測(cè)量在極限條件下可以達(dá)到0.5％左右，在正常工作條件下可以達(dá)到0.2％或更高，對(duì)薄膜厚度的測(cè)量精度在極限條件下可以達(dá)到0.3％左右，正常工作區(qū)可以達(dá)到0.1％或更高。相比通常的棱鏡耦合測(cè)量技術(shù)而言，其厚度的測(cè)量量程可以擴(kuò)展到從0.5個(gè)微米到1個(gè)毫米的量級(jí)。折射率的測(cè)量如果采用空氣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鏡折射率的限制。
方法簡(jiǎn)單，測(cè)量效率高。對(duì)薄膜的折射率和厚度的測(cè)量一次完成，無(wú)需更多步驟。
制備簡(jiǎn)單、成本低廉。利用雙面金屬波導(dǎo)的特性，可以省略耦合器件，采用空氣直接耦合的方式進(jìn)行測(cè)量，減少了測(cè)量部件，降低了測(cè)量成本。
制成的儀器具有小型化、易于攜帶等特點(diǎn)。按照本項(xiàng)技術(shù)制成的器件，體積很小，方便攜帶、安裝，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求不高。
適用范圍廣。在通常的測(cè)量方法中，需要對(duì)待測(cè)薄膜的性質(zhì)做出諸多限制，妨礙了測(cè)量方法的廣泛應(yīng)用。而在本項(xiàng)技術(shù)中，對(duì)薄膜的折射率、厚度都沒(méi)有提出很多的要求，故而能夠在一個(gè)更為廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。
測(cè)量周期短，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本薄膜厚度和折射率及其它光學(xué)性質(zhì)測(cè)量方法的反應(yīng)時(shí)間主要取決于光強(qiáng)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，因而能實(shí)現(xiàn)快速甚至實(shí)時(shí)測(cè)量。
可以對(duì)光偏振敏感的薄膜利用偏振光進(jìn)行測(cè)量。在對(duì)光偏振敏感的薄膜進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可只用橫電波(TE模)或橫磁波(TM模)光信號(hào)作為入射光，并用另一模式的光作為參考光，可以實(shí)現(xiàn)雙光束計(jì)測(cè)，通過(guò)光信號(hào)的比對(duì)，有效的消除光源帶來(lái)的噪音。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明方法可以廣泛應(yīng)用于多種薄膜的光學(xué)特性和厚度的測(cè)量、光波導(dǎo)參數(shù)的表征等等方面，尤其是可以同時(shí)對(duì)薄膜折射率和厚度這兩組參量進(jìn)行測(cè)量，利用此項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精確度、大量程、快速實(shí)時(shí)的測(cè)量，同時(shí)保證儀器具有制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作、小型化、便于攜帶等高技術(shù)性能。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明裝置由上至下由耦合器件1、上層金屬膜2、待測(cè)薄膜層3、下層金屬膜4構(gòu)成，上層金屬膜2、待測(cè)薄膜層3和下層金屬膜4為雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜2、下層金屬膜4為波導(dǎo)的上下覆蓋層，光主要在待測(cè)薄膜層3中傳輸。
耦合器件1可采用高折射率棱鏡(n＞1.5)、光柵和耦合波導(dǎo)等器件，或進(jìn)行空氣直接耦合。在待測(cè)薄膜的兩面采用蒸鍍、濺射或其他方法形成雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜2和下層金屬膜4選用對(duì)工作波長(zhǎng)吸收較小的金屬，金屬介電常數(shù)ε＝εr+iεi與工作波長(zhǎng)有關(guān)，且該金屬膜的厚度應(yīng)嚴(yán)格控制使入射光與導(dǎo)波的耦合最為有效。上層金屬膜的厚度在20nm-80nm之間。下層金屬膜的厚度根據(jù)測(cè)量方式確定，采用反射光測(cè)量方式時(shí)，應(yīng)大于100nm；而采用透射光測(cè)量方式時(shí)，一般應(yīng)小于30nm。金屬種類為銀、金、鋁、銅等在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)虛部較小的金屬，其介電常數(shù)實(shí)部εr≤-10，介電常數(shù)虛部εi≤5.0。
待測(cè)薄膜層3的厚度在0.5μm～1000μm之間，厚度必須能承載三個(gè)以上的導(dǎo)波共振模式，其折射率在1.0～2.3之間，待測(cè)薄膜層3處于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸層，導(dǎo)波光就在待測(cè)薄膜層3里傳輸。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容，提供以下三個(gè)實(shí)施例實(shí)施例一第一步耦合器件1選用高折射率等邊三角棱鏡(n＝1.5)，在棱鏡的底面和襯底材料上采用濺射方法鍍上金屬膜層，然后將兩膜層拼合，并在其間留有空氣薄層，形成雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜2厚度為34nm，待測(cè)薄膜3為空氣，厚度的真實(shí)值為5μm，折射率真實(shí)值為1.0(介電系數(shù)為1.0)，下層金屬膜4厚度為300nm，金屬采用金(690.0nm波長(zhǎng)下ε＝-14.4+i1.22)；第二步選用入射激光5波長(zhǎng)為690.0nm，入射光為橫磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之間掃描；第三步在棱鏡的另一側(cè)接收并測(cè)量從棱鏡底面反射的激光束6光強(qiáng)，反射光強(qiáng)極小值即為共振吸收峰，記錄所激發(fā)的相鄰三個(gè)共振吸收峰的角度，得θ1＝22.83度 θ2＝18.22度 θ3＝11.63度將以上數(shù)據(jù)代入雙面金屬薄導(dǎo)的特性方程，2π*sqrt(e1-N12)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N12-e2))/(e2*sqrt(e1-N12)))；2*π*sqrt(e1-N22)*d/λ＝(m+1)*π+2*arctan((e1*sqrt(N22-e2))/(e2*sqrt(e1-N22)))；2*π*sqrt(e1-N32)*d/λ＝(m+2)*π+2*arctan((e1*sqrt(N32-e2))/(e2*sqrt(e1-N32)))；
其中Ni＝n*sinθi，e2＝-14.4+1.22i(金屬層的介電系數(shù))，n＝1.5(耦合器件1折射率)，λ＝0.69(入射激光5波長(zhǎng))，m為模式階數(shù)，是一個(gè)正整數(shù)，d為待測(cè)薄膜3的厚度，e1為待測(cè)薄膜3的介電系數(shù)。
解此聯(lián)立方程組，得e1＝1.0021212 與真實(shí)值之間偏差為0.2％，d＝5.00414133μm 與真實(shí)值之間偏差為0.08％；m＝12.0計(jì)算表明對(duì)待測(cè)薄膜3樣品的介電系數(shù)(折射率的平方)檢測(cè)可以達(dá)到0.2％的精度，對(duì)薄膜厚度的檢測(cè)可以達(dá)到0.08％的精度。
實(shí)施例二第一步耦合器件1選用高折射率等邊金紅石棱鏡(n＝2.8)，在待測(cè)薄膜的兩面采用濺射方法形成雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜2厚度為48nm，待測(cè)薄膜3為鈮酸鋰，厚度的真實(shí)值為0.5μm，折射率真實(shí)值為2.22(介電系數(shù)為4.9284)，下層金屬膜4厚度為300nm。金屬采用銀(560.0nm波長(zhǎng)下ε＝-12.0+i0.4)。
第二步選用入射激光波5長(zhǎng)為560.0nm，入射光為橫磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之間掃描；第三步在棱鏡的另一側(cè)接收并測(cè)量從棱鏡底面反射的激光束6光強(qiáng)，反射光強(qiáng)極小值即為共振吸收峰，記錄所激發(fā)的相鄰三個(gè)共振吸收峰的角度，得θ1＝48.76度 θ2＝38.51度 θ3＝19.47度將以上數(shù)據(jù)代入雙面金屬薄導(dǎo)的特性方程，2π*sqrt(e1-N12)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N12-e2))/(e2*sqrt(e1-N12)))；2*π*sqrt(e1-N22)*d/λ＝(m+1)*π+2*arctan((e1*sqrt(N22-e2))/(e2*sqrt(e1-N22)))；2*π*sqrt(e1-N32)*d/λ＝(m+2)*π+2*arctan((e1*sqrt(N32-e2))/(e2*sqrt(e1-N32))；其中Ni＝n*sinθi，e2＝-12.0+0.4i(金屬層的介電系數(shù))，n＝2.8(耦合器件1折射率)，λ＝0.56(入射激光5波長(zhǎng))，m為模式階數(shù)，是一個(gè)正整數(shù)，d為待測(cè)薄膜3的厚度，e1為待測(cè)薄膜3的介電系數(shù)。
解此聯(lián)立方程組，得e1＝4.93331422 與真實(shí)值之間偏差為0.1％，d＝0.501123276μm 與真實(shí)值之間偏差為0.224％；
m＝2.0計(jì)算表明對(duì)待測(cè)薄膜3樣品的介電系數(shù)(折射率的平方)檢測(cè)可以達(dá)到0.1％的精度，對(duì)薄膜厚度的檢測(cè)可以達(dá)到0.224％的精度。
實(shí)施例三第一步本例不采用耦合器件1，而使用空氣直接耦合的方法激發(fā)導(dǎo)模(n＝1.0)，在待測(cè)薄膜的兩面采用濺射方法形成雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜2厚度為34nm，待測(cè)薄膜3厚度的真實(shí)值為1000μm，折射率真實(shí)值為1.673(介電系數(shù)為2.8)，下層金屬膜4厚度為300nm，金屬采用金(890.0nm波長(zhǎng)下ε＝-34.5+i2.47)。
第二步選用入射激光5波長(zhǎng)為890.0nm，入射光為橫磁波(TM模)，入射角度7在0到90度之間掃描；第三步在棱鏡的另一側(cè)接收并測(cè)量從棱鏡底面反射的激光束6光強(qiáng)，反射光強(qiáng)極小值即為共振吸收峰，因?yàn)樵诖藢?shí)例中，待測(cè)薄膜3的厚度較大，所以激發(fā)的模式很多，相鄰模式之間的距離很小，因此選取從零度開(kāi)始的第一、第四、第七個(gè)模式來(lái)計(jì)算，記錄所選取的三個(gè)共振吸收峰的角度，得θ1＝5.625度 θ2＝4.114度 θ3＝1.494度將以上數(shù)據(jù)代入雙面金屬薄導(dǎo)的特性方程，2π*sqrt(e1-N12)*d/λ＝m*π+2*arctan((e1*sqrt(N12-e2))/(e2*sqrt(e1-N12)))；2*π*sqrt(e1-N22)*d/λ＝(m+3)*π+2*arctan((e1*sqrt(N22-e2))/(e2*sqrt(e1-N22)))；2*π*sqrt(e1-N32)*d/λ＝(m+6)*π+2*arctan((e1*sqrt(N32-e2))/(e2*sqrt(e1-N32)))；其中Ni＝n*sinθi，e2＝-34.5+2.47i(金屬層的介電系數(shù))，n＝1.0(空氣折射率)，λ＝0.89(入射激光5波長(zhǎng))，m為模式階數(shù)，是一個(gè)正整數(shù)，本實(shí)例中會(huì)很大，d為待測(cè)薄膜3的厚度，e1為待測(cè)薄膜3的介電系數(shù)。
解此聯(lián)立方程組，得e1＝2.7842007 與真實(shí)值之間偏差為0.57％，d＝997.162568μm 與真實(shí)值之間偏差為0.28％；m＝3732計(jì)算表明對(duì)待測(cè)薄膜3樣品的介電系數(shù)(折射率的平方)檢測(cè)可以達(dá)到0.57％的精度，對(duì)薄膜厚度的檢測(cè)可以達(dá)到0.28％的精度。
權(quán)利要求
1.一種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征在于由上至下由耦合器件(1)、上層金屬膜(2)、待測(cè)薄膜層(3)、下層金屬膜(4)構(gòu)成，上層金屬膜(2)、待測(cè)薄膜層(3)和下層金屬膜(4)為雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上層金屬膜(2)、下層金屬膜(4)為波導(dǎo)的上下覆蓋層，光主要在待測(cè)薄膜層(3)中傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征是耦合器件(1)采用高折射率棱鏡n＞1.5、光柵和耦合波導(dǎo)等器件，或進(jìn)行空氣直接耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征是上層金屬膜(2)和下層金屬膜(4)選用對(duì)工作波長(zhǎng)吸收較小的金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征是金屬膜的金屬種類為銀、金、鋁、銅等在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)虛部較小的金屬，其介電常數(shù)實(shí)部εr≤-10，介電常數(shù)虛部εi≤5.0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征是上層金屬膜(2)的厚度在20nm～80nm之間，下層金屬膜(4)的厚度根據(jù)測(cè)量方式確定，采用反射光測(cè)量方式時(shí)，大于100nm，采用透射光測(cè)量方式時(shí)，小于30nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征是待測(cè)薄膜層(3)的厚度在0.5μm～1000μm之間，厚度必須承載三個(gè)以上的導(dǎo)波共振模式，其折射率在1.0～2.3之間，待測(cè)薄膜層(3)處于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸層，導(dǎo)波光在待測(cè)薄膜層(3)里傳輸。
7.一種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法，其特征在于具體步驟如下第一步在待測(cè)薄膜的兩面用蒸鍍、濺射或其它方法，形成本發(fā)明裝置雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；第二步選擇合適的激光波長(zhǎng)和入射角度以及偏振方式，用激光作為光源，工作波長(zhǎng)可在可見(jiàn)和紅外光頻范圍內(nèi)選擇，從激光器(8)輸出的激光束(5)以一定的入射角度(7)入射到耦合器件(1)上，入射角度(7)激發(fā)多個(gè)共振吸收峰，偏振方式為T(mén)M模入射，或TE模入射；第三步在耦合器件的另一側(cè)利用光強(qiáng)測(cè)量裝置(9)接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束(6)光強(qiáng)，或從底面方向接收并記錄從下層金屬膜透射出的激光束光強(qiáng)；第四步在0到90度范圍內(nèi)連續(xù)變化激光入射角度(7)，并同期記錄其反射透射光強(qiáng)，形成反射透射光強(qiáng)一入射角度曲線，在曲線上找出導(dǎo)模吸收峰的共振角度和相應(yīng)的吸收峰寬度和深度，通過(guò)計(jì)算得到薄膜材料的折射率和厚度的精確值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的這種雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法，其特征是以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步描述①將薄膜厚度和折射率等光學(xué)特性的測(cè)量以及波導(dǎo)參數(shù)的表征，轉(zhuǎn)化為對(duì)反射光強(qiáng)隨入射角度變化曲線的測(cè)量；②選擇ATR導(dǎo)模區(qū)作為工作區(qū)；③工作點(diǎn)即入射角度(7)選擇在ATR吸收峰高階模區(qū)、低階模區(qū)和表面模區(qū)，包括在一個(gè)器件中使用多個(gè)工作點(diǎn)同時(shí)工作及使用透射光進(jìn)行測(cè)量的情況；④在對(duì)光偏振敏感的薄膜進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只用橫電TE或橫磁TM模光信號(hào)作為入射光，并用另一模式的光作為參考光，實(shí)現(xiàn)雙光束計(jì)測(cè)；⑤雙面金屬波導(dǎo)承載多個(gè)模式，同時(shí)對(duì)待測(cè)薄膜(3)厚度和折射率進(jìn)行測(cè)量。
全文摘要
雙面金屬波導(dǎo)測(cè)量方法及其裝置屬于物理測(cè)量領(lǐng)域。裝置由上至下由耦合器件、上層金屬膜、待測(cè)薄膜層、下層金屬膜構(gòu)成，待測(cè)薄膜層和上下層金屬膜為雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，上下層金屬膜為波導(dǎo)的上下覆蓋層，光主要在待測(cè)薄膜層中傳輸。方法如下在待測(cè)薄膜的兩面采用蒸鍍、濺射或其它方法形成本發(fā)明裝置；選擇激光波長(zhǎng)和入射角度及偏振方式；接收并記錄從耦合器件底面反射的激光束光強(qiáng)，或從下層金屬膜透射出的激光束光強(qiáng)；變化激光入射角度得到光強(qiáng)-入射角度曲線，找出導(dǎo)模吸收峰的共振角度和相應(yīng)吸收峰的寬度和深度，計(jì)算得到薄膜材料的折射率和厚度值。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高精確度、大量程、快速實(shí)時(shí)的測(cè)量，裝置制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于操作、小型化。
文檔編號(hào)G01B11/06GK1396445SQ0213661
公開(kāi)日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2002年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月22日
發(fā)明者曹莊琪, 陳洸, 沈啟舜, 李紅根, 周峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)