用于纳米级电介质涂层的全纤维椭偏仪
发布时间：2023-09-18 10:55:38 阅读数： 44
(a) 拟议方法中使用的 8 个 TFBG 共振的实验位移。共振 S1-S4（上排）对应偶数方位阶，共振 S5-S8（下排）对应奇数方位阶。资料来源：Opto-Electronic Advances (2023)。DOI: 10.29026/oea.2023.230048
测量薄膜（厚度小于一纳米到几微米的薄膜）的折射率和厚度，对于确定薄膜的特性和提高采用薄膜的传感器和设备的性能至关重要。椭偏仪是同时测定这两个参数的最成熟方法，有多种商业解决方案可供选择。不过，这种技术并不直接测量厚度和折射率，而是根据光学测量结果和必须事先知道的薄膜材料光学模型进行计算。
西班牙纳瓦拉公立大学Ignacio R. Matías教授的传感器研究小组与加拿大卡尔顿大学Jacques Albert教授的先进光子元件实验室合作，根据倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）中多个包层模式共振的波长偏移，提出了一种完全不同的方法来确定薄膜的厚度和折射率。
光纤光栅由沿光纤纤芯的折射率周期性调制组成，典型的单模光纤纤芯厚度为 8 µm，包层厚度为 125 µm。就 TFBG 而言，光栅周期约为 500 nm，光栅与垂直于光纤轴线的方向成一定角度。
通过纤芯传播的光与通过包层反向传播的光（光被光栅反射）之间的耦合会导致光谱中出现包层模式共振。这些共振出现在波长范围约为 100 nm 的光谱中，间隔约为 1 nm。同时对大量共振进行波长跟踪，每个共振都能提供单独的测量值，这样就能精确地确定多个参数。
在发表于《光电子学进展》（Opto-Electronic Advances）上的这项研究中，利用 8 个共振的波长偏移，同时测量了沉积在刻有 TFBG 的光纤上的二氧化钛（TiO2）薄膜的厚度和折射率。这是通过将沉积过程中 8 个 TFBG 共振的实验波长偏移与一系列厚度 (T) 和折射率 (n) 值的模拟偏移进行比较来实现的。
然后，根据每个（n、T）对计算出的误差函数最小化，就能得到沉积薄膜厚度和折射率的解决方案。TFBG 得出的最终值（n = 2.25，最终厚度为 185 纳米）均在使用传统椭偏仪和扫描电子显微镜进行的验证测量值的 4% 以内。
这种方法为需要精确厚度和折射率的应用（如光纤传感器领域）提供了一种原位测量光纤上纳米级介电涂层形成的方法。此外，TFBG 还可用作在其他基底上沉积的过程监控器，其沉积方法可在形状不同的基底上产生均匀的涂层。
所开发的技术与其他传统方法形成鲜明对比，其他传统方法依赖于共定位见证样品（如椭偏仪）或使用部分涂层纤维进行破坏性测量来确定此类薄膜的特性。因此，所提出的方法可以克服这些局限性，为测量沉积在光纤上的薄膜的厚度和折射率建立新的标准。
参考资料
Jose Javier Imas et al, All-fiber ellipsometer for nanoscale dielectric coatings, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230048
