测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃的模谱的设备和方法
【专利说明】测量具有陡峭折射率区域的离子交换玻璃的模谱的设备和 方法
[0001] 相关申请义叉参考
[0002] 本申请根据35U. S. C. § 119，要求2013年10月30日提交的美国临时申请系列第 61897546号的优先权，本文W该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003] 本发明设及对离子交换玻璃进行表征，具体来说，设及对具有睹峭且浅的近表面 折射率区域的离子交换玻璃的模谱(mode spectra)进行测量的设备和方法。
[0004] 可W通过离子交换工艺对某些类型的玻璃和玻璃陶瓷进行化学强化。由于形成了 近表面压缩层导致强化，运通常产生应力诱发的双折射。双折射进而对应于玻璃中的折射 率曲线的偏振依赖性变化。离子交换过程通常改变了折射率曲线，其形状对应于扩散进入 玻璃中的离子浓度。应力通过应力光学系数与双折射线性相关。
[0005] 对于具有抗微生物(AM)表面性质的化学强化玻璃存在不断增加的商业兴趣。可W 采用双离子交换(DIOX)过程来制造此类玻璃，其中，进行第一离子交换(IOX)过程来进行强 化。IOX过程设及用较大的碱性离子(例如r)来交换原始基底(块体)玻璃中存在的较小碱 性离子(例如化+或Li+)。第一 IOX过程之后是第二IOX过程，其包括抗微生物离子(例如Ag+)。 在某些情况下，可W同时供给两种交换离子(即，较大的碱性离子和抗微生物离子）。所得到 的折射率曲线包括睹峭且浅的近表面区域，之后是没有那么睹峭且较深的区域。
[0006] 采用棱镜禪合对离子扩散的玻璃进行表征的光学方法W及对得到的模谱进行分 析是本领域已知的。但是，现有技术的棱镜禪合系统和方法不能令人满意地测量折射率曲 线的睹峭且浅的近表面区域的模谱。
[0007] 具体来说，在现有技术中，通过化学强化离子交换获得并且通过高分辨率模谱测 量系统测得的折射率范围通常小于约0.02RIU(折射率单位）。该有限的范围使得现有技术 系统和方法能够利用光检测器处测得的模谱位置和模有效折射率（mode effective index)之间的线性近似。但是，由于抗微生物玻璃的折射率曲线特性通常具有超过或者远 超过0.03RIU的折射率范围，线性近似变得没有那么准确并导致计算折射率和应力曲线中 的系统误差，特别是在基材表面处和近基材表面处。
[000引甚至更重要的是，用于测量应力的现有技术系统无法检测折射率曲线的睹峭近表 面区域中的传播光模，或者在一些情况下，无法W对于实际有用的应力测量的足够精度来 对它们进行检测。基于激光源并且采用施加到基材的旋转棱镜和活塞的不同类型棱镜禪合 系统可用于检测折射率分布的浅且睹峭折射率的模式，但是它们不具有对于应力测量所需 的精度也没有适合解析部分主要在折射率曲线的较不睹峭和较深区域中传播的模式的分 辨率。
【发明内容】
[0009]本发明的第一个方面是对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述 离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面W及具有睹峭且浅的近表面区域Rl的折射率曲 线。该方法包括:使得折射率np的禪合棱镜与基材表面界面化（interfacing) W限定棱镜-基材界面，在禪合棱镜和基材表面之间具有折射率nf和厚度dl的界面化流体，其中，M < ns< np，其中，区域Rl满足I禮I 3 0.0謝，其中，入是测量光的测量波长;其中，TM和TE模谱分别包 括第一和第二最低阶模（即，基模(fundamen1:al mode)和次最高阶模(next-highest-order mode))，W及选择厚度dl位于如下厚度范围内，使得在存在禪合棱镜的情况下至少测得的 TM和TE模谱的第一和第二最低阶模的模式双折射在该厚度范围内保持基本不变；W及将测 量光导向通过禪合棱镜并通过界面化流体进入基材表面，并数字式地俘获从棱镜-基材界 面反射的TE和TM模谱。
[0010] 本发明的另一个方面是对离子交换玻璃基材的TM和TE模谱进行测量的方法，所述 离子交换玻璃基材具有块体折射率ns、表面W及具有睹峭且浅的近表面区域Rl的折射率曲 线。该方法包括:使得折射率np的禪合棱镜与基材表面界面化（interfacing) W限定棱镜-基材界面，禪合棱镜具有禪合表面，所述禪合表面具有厚度为d2且折射率为n。的涂层，其 中，0.2A含nc ? d2含0.8A;在棱镜涂层和基材表面之间提供折射率为nf且厚度为dl的界面化 流体，其中，nc含nf < ns<np，其中，区域Rl满足ggl S 其中，A是测量光的测量波长；W 及将测量光导向通过禪合棱镜并通过界面化流体进入基材表面，并数字式地俘获从棱镜-基材界面反射的TE和TM模谱。
[0011] 本发明的另一个方面是用于测量离子交换波导的模谱的棱镜禪合系统的禪合棱 镜，所述离子交换波导具有折射率ns和表面。禪合棱镜包括:禪合棱镜体，其具有折射率np W 及输入表面、输出表面和禪合表面；W及禪合表面上的棱镜涂层，棱镜涂层的厚度为d2且折 射率为nc，其中，0.2入<〇。? d2<0.8入。
[0012] 在W下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对 本领域技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书W及附图中所述 实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来 提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
【附图说明】
[0013] 所附附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书 的一部分。【附图说明】了本发明的一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实 施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过W下详细描述会更好地理解本发明，图中：
[0014] 图IA是平坦基材形式的示例性DIOX玻璃基材的放大图；
[0015] 图IB是图IA的DIOX基材沿x-y平面得到的横截面特写图，显示在基材表面上发生 双离子交换过程并进入基材体中；
[0016] 图IC示意性显示形成DIOX基材的DIOX工艺的结果；
[0017]图視图IC所示的DIOX基材的示例性折射率分布n(x)图；
[0018] 图3A是根据本发明的示例性棱镜禪合系统的示意图；
[0019] 图3B是图3A的棱镜禪合系统的光检测器系统的特写图；
[0020] 图3C是图3B的光检测器系统俘获的TM和TE模谱的示例图；
[0021] 图4A是采用厚度为dl且折射率为M的界面化流体，使得示例性禪合棱镜与离子交 换基材界面化的放大图；
[0022] 图4B是禪合棱镜、界面化流体和基材的折射率分布n与距离X的关系图，其包括浅 且睹峭的近表面折射率区域Rl，之后是较深且较不睹峭的折射率区域R2;
[0023] 图5是对于界面化流体的不同折射率M值，基于模拟的最低阶（即，零阶)TM和TE模 的模式双折射Bo与界面化流体的厚度dl(nm)的关系图；
[0024] 图6A类似于图4A，显示在基材-棱镜界面处使用远离化（stand-off)元件（"远离 件"）来限定界面化流体的厚度的例子；
[0025] 图6B类似于图6A，显示禪合表面上的远离化元件相对于输出表面侧比相对于输入 表面侧更为集中的例子；
[0026] 图7A类似于图4A和6B，显示禪合棱镜在禪合表面上包括棱镜涂层的例子；
[0027] 图7B类似于图4B，显示禪合棱镜、棱镜涂层、界面化流体和基材的折射率分布n与 距离X的关系图；W及
[0028] 图8类似于图5,显示零模Bo和第一阶模Bi的模式双折射B与(厚度为d2的)棱镜涂层 和(厚度为dl的)不同界面化流体折射率M值的界面化流体的总厚度T(nm)的关系图。
[0029] 出于便于显示和讨论的缘故在某些附图中显示笛卡尔坐标，它们并不旨在相对于 方向或朝向进行限制。
【具体实施方式】
[0030] 下面详细描述本发明的各种实施方式，运些实施方式的例子在附图中示出。只要 有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图 不一定成比例，并且本领域技术人员会理解对附图做出简化W显示本发明的关键方面。
[0031] 如下所附的权利要求书结合在该【具体实施方式】中并构成其部分。
[0032] 本文所提及的任意公开出版物或专利文件的全文通过引用结合，包括题为"用于 测量离子交换玻璃的应力分布的系统和方法（Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass)"的美国专利申请序列号 13/463,322,题为。用 于测量玻璃和玻璃陶瓷中的双折射率的系统和方法（Systems and methods for measuring birefringence in glass and glass-ceramics)"的美国临时专利申请序列号 61/706，891，W及题为"对于双离子交换玻璃具有改进的模谱对比的棱镜禪合方法(Prism coupling methods with improved mode spectrum contrast for double ion-exchanged glass)"的美国临时专利申请序列号61/835,823。
[0033] 图IA是平坦离子交换基材20形式的示例性玻璃基材的放大图，其具有主体21和 (顶)表面22,其中，主体具有基底(块体)折射率ns和表面折射率no。图IB是基材20沿x-y平面 得到的横截面特写图，显示在表面22上发生双离子交换(DIOX)过程并Wx方向进入主体21 中。
[0034] 图IC示意性显示形成离子交换基材20的双离子交换过程的结果。离子交换基材20 包括主体21中的基材离子IS，其