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技術，可快速、準確地測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折光儀和儀器相比，2010/M 具有獨特的優勢：

完全通用 – 無需了解薄膜/基板的光學特性

常規索引分辨率為 ±.0005（精度高達 ±.0001，適用于許多應用 - 參見規格）

常規索引分辨率為 ±.0003（分辨率高達 ±.00005，適用于許多應用 - 參見規格）

本體、基材或液體材料的高精度指數測量，包括雙折射/各向異性

快速（20 秒）表征薄膜或漫射光波導或 SPR 傳感器結構

折射率與波長的簡單測量

可選擇測量指數與溫度 （dn/dT） 和波導損耗的關系

指數測量范圍寬 （1.0-3.35）

2010/M 型是其前身 2010 型的重大改進，提供與 Windows XP/Vista/Seven 的兼容性，這是一個經過大幅改進且用戶友好的基于 Windows 的控制程序，以及新的測量功能，例如能夠對非常厚的薄膜進行準確的厚度和折射率測量，以及測量折射率與溫度 （dn/dT） 的選項。它還消除了對 2010 所需的現已過時的 ISA 接口卡的需求。

測量理論

待測樣品（下圖 1）通過氣動耦合頭與棱鏡底部接觸，在薄膜和棱鏡之間形成一個小氣隙。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器上。在入射角的某些離散值（稱為模式角）下，光子可以穿過氣隙進入薄膜并進入引導光傳播模式，從而導致到達檢測器的光強度急劇下降：

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

使用計算機驅動的旋轉臺進行測量，該旋轉臺改變入射角，并自動定位每種薄膜傳播模式。一旦找到兩個振型角，就可以計算出薄膜厚度和折射率。整個測量過程是完全自動化的，大約需要 20 秒。

給定折射率的薄膜支持的模式數量隨著薄膜厚度的增加而增加。對于大多數薄膜/基板組合，需要 100-200 nm 的厚度來支持第一種模式，而 1 微米范圍內的薄膜可以支持多達四到五種模式。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 型會計算每對模式的厚度和折射率，并顯示這些多重估計值的平均值和標準偏差。

標準差計算是棱鏡耦合技術獨有的，是測量自洽性的指標，也是確認測量有效性的有力手段。

可以對厚度達 10-15 微米的大多數樣品進行厚度和折射率的測量。對于厚度超過 15 微米的樣品，仍然可以使用整體測量技術測量折射率（見下文），盡管許多樣品的厚度和折射率通常在厚度高達 150-200 微米時可以測量。

當用作折光儀測量塊狀材料的折射率時（上圖 2），樣品也被夾在棱鏡上，并通過測量樣品/棱鏡界面的臨界角 θc 來確定折射率。厚度超過 10-15 微米的薄膜通常顯示出明顯的臨界拐點角，可以作為散裝材料進行測量。柔性材料易于測量，并且有一個電解池可用于液體測量。與大多數單波長（通常為 589 nm）的傳統折光儀不同，2010/M 可配備多達五個激光器，從而可以在較寬的波長范圍內輕松測量色散。

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

2010/M 型優勢

與現有的薄膜表征方法相比，2010/M 型采用棱鏡耦合技術，具有其他幾個優勢：

共性：2010/M 型數據分析軟件是完全通用的，幾乎可以測量任何薄膜，而無需了解薄膜或基材的光學特性。

索引精度、分辨率和穩定性：棱鏡耦合技術為薄膜測量提供了比任何其他薄膜測量技術更高的索引精度和分辨率。此外，由于折射率測量僅對棱鏡的耦合角和折射率敏感（不隨時間變化），因此棱鏡耦合測量隨著時間的推移非常穩定，因此無需定期校準 2010/M。

對波長隨索引變化引起的誤差不敏感：每片膠片的折射率隨波長而變化。在依賴分光光度法（干涉與波長）的技術中，如果不能準確知道薄膜在整個波長范圍內的折射率變化，將導致大量誤差。此外，許多薄膜的折射率與波長曲線高度依賴于薄膜沉積條件。對于此類薄膜，2010/M 型的單色測量具有明顯的優勢。如果必須測定各種波長的折射率，則 2010/M 型可以配置多達五個激光器，并且可以在不到 5 秒的時間內從單個折射率測量中生成連續的折射率與波長曲線。

與橢圓偏振法相比的優勢：由于橢偏儀數據隨薄膜厚度呈周期性變化，因此單波長橢圓偏振儀需要預先了解薄膜厚度，精度為 ±75 至 ±125 nm，具體取決于薄膜指數。2010/M 型可直接測量厚度，不需要事先了解薄膜厚度。此外，在某些周期性厚度范圍內，使用單波長橢圓偏振儀進行折射率測量是不可能的。使用 2010/M，一旦薄膜厚度超過某個最小閾值（通常為 300-500 nm，取決于薄膜/基板類型），即可獲得全精度指數測量值。多波長橢圓偏振儀為精確的薄膜測量提供了潛力，但數據分析非常復雜，通常只有在對樣品的光學參數有廣泛的預先了解的情況下才能獲得良好的結果。

材料色散的簡單“光譜”測量：2010/M 型可在離散激光波長處測量折射率，通常配備 1-5 個激光器。對于具有三個激光器的系統，Metricon® 使用新穎的擬合技術開發了軟件，可以在短短幾秒鐘內計算出擴展波長范圍（例如 400-700 nm 或 633-1550 nm）內極其精確的折射率與波長曲線。四個或五個激光系統分別在 400-1064 和 400-1550 nm 范圍內提供精確的色散曲線。在大多數情況下，在中間波長下計算的指數值與激光在該波長下測量的指數幾乎相同。

在透明基材上的測量：2010/M 型可用于測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較近。此外，棱鏡耦合技術對來自基板背面的反射不敏感，這在橢圓偏振法和其他薄膜測量技術中通常很麻煩。

內部自洽檢查：如果薄膜厚度超過 500-750 nm，則對薄膜厚度和指數進行多個獨立估計，并顯示這些多個估計的標準差。只要測量標準偏差較低（厚度通常為 0.3%，指數為 0.01%），則不太可能出現明顯的誤差。沒有其他技術對每次測量的有效性提供類似的 “置信度檢查”。

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

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 的測量波長下，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。對于較低折射率基底上的薄膜，最小厚度限制可以降低多達 2 倍，如果假設薄膜折射率，通常可以對薄至 100-200 nm 的單模薄膜進行僅厚度測量。通過首先測量較短波長（如 633 nm）的厚度和折射率，可以準確測量較長波長（例如 1310 或 1550 nm）的單模薄膜。然后，可以在較短波長處測得的厚度與在較長波長下測得的單模一起使用，以提供準確的指數測量。

如果薄膜厚度低于最小可測量閾值，則不會進行錯誤測量，而 2010/M 只會通知用戶無法進行測量。上述最小厚度限制只是近似值，詳細取決于薄膜和基材的折射率以及測量波長。

另一個限制是基于棱鏡耦合技術涉及與被測表面的接觸這一事實。因此，對于需要高清潔度的應用，通常在非產品測試樣品上進行 2010/M 型測量。

可測量薄膜/基材

大多數 2010/M 型應用都圍繞著快速準確地測量通過等離子體、低溫或其他沉積方法沉積的可變折射率薄膜的需求，或測量科學文獻中數據很少的新型或不尋常的薄膜或散裝材料的需求。對于這些應用，2010/M 型提供針對任何折射率變化進行全面校正的厚度測量。

幾乎可以測量任何在測量波長下不強吸收的薄膜，只要薄膜足夠厚以支持至少兩種光傳播模式（有關典型的最小厚度，請參閱規格）。薄膜幾乎可以在任何基材上測量，包括高折射率或吸收性基材，如硅或金屬。實際上，任何在測量波長下不強吸收的塊狀材料也是可以測量的。以下是 Metricon® 系統測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立薄膜或散裝樣品也可測量）：

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、光學玻璃、硫系玻璃、藍寶石、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。

準確性和便利性

總之，2010/M 型是一款將精度與生產工具的速度、便利性和多功能性相結合的儀器。無需事先了解膠片參數，在 20 秒的自動測量中，2010/M 提供了常規的索引精度和分辨率，充其量只能通過昂貴和笨重的研究儀器來達到。

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

2010/M 規格

索引精度：±.0005（壞的情況）。絕對折射率精度主要受到確定測量棱鏡角度和折射率的不確定性的限制。對于光學質量合理的樣品，如果使用高分辨率表格，并且如果用戶愿意對每個棱鏡執行簡單的校準程序，則可以實現 ±.0001-.0002 的絕對折射率精度。NIST、熔融石英和其他標準品可用于指數校準。

索引分辨率：±.0003（壞的情況）。對于光學質量合理的樣品，通過使用高分辨率轉臺（一種免費選項），可以將索引分辨率提高到 ±.00005（見下文）。

厚度精度：±（0.5% + 5 nm）

厚度分辨率：±0.3%

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

典型測量時間：使用標準工作臺 10-25 秒，使用高分辨率工作臺 20-75 秒。

測量區域：雖然薄膜和測量棱鏡在大約 8 mm 見方的面積上接觸，但實際測量的薄膜面積直徑僅為 1 mm。

折光率測量范圍：使用標準棱鏡，可以測量折射率為 2.65 及以下的薄膜和塊狀材料。專用棱鏡可用于高達 3.35 的指數測量。

可測量的薄膜類型/厚度范圍：2010/M 型幾乎可以測量任何非金屬或在工作波長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，雙膜層的一個或兩個薄膜的厚度和折射率是可測量的*。厚度必須超過最小閾值，該閾值取決于薄膜和基材（或底層薄膜）指數。在標準 （633 nm） 工作波長下，常見單層或上層薄膜類型可測量的厚度范圍示例（對于其他薄膜類型，在具有接近折射率的示例薄膜之間進行插值）：

散裝材料/厚膜的僅折射率測量：材質必須是透明或半透明的。使用標準棱鏡可測量的最大折射率為 2.65（使用高折射率棱鏡時為 3.35）。精度和分辨率與薄膜測量相同（見上文）。批量測量的典型測量時間為 10-20 秒。

基材/尺寸：幾乎可以在任何拋光襯底材料上進行薄膜測量，包括硅、GaAs、玻璃、石英、藍寶石、GGG 和鈮酸鋰，樣品幾乎可以是任何尺寸或形狀。標準裝置可接受最大 8 英寸（200 毫米）見方的樣品。

棱鏡類型：四種標準棱鏡類型可用于測量各種折射率范圍內的薄膜。棱鏡可在大約一分鐘內輕松互換，從而允許在單個系統中使用多種棱鏡類型：

旋轉臺步長：3.0 或 1.5 分鐘，鍵盤可選。更高分辨率的樣品臺（0.9/0.45 或 0.6/0.3 分鐘）也可作為免費選件提供。當薄膜厚度超過 5-7 微米時，或者當需要提高索引分辨率和準確性時，建議使用更高分辨率的表格。

主要選項：提供允許測量波導損耗和確定指數與溫度（高達 150-200o C）的選項。VAMFO 選項僅允許對厚度進行非接觸式測量。

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

所需服務：用于激光電源、接口模塊、打印機（每個 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上 — 不需要隔振。

尺寸：整個系統安裝需要 45 英寸（108 厘米）寬、27 英寸（61 厘米）深、15 英寸（38 厘米）高的區域。系統總重量（包括計算機在內）為 92 磅（41 千克）。單個尺寸/重量：

光學模塊：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 型號訂購/選件指南