測量具有陡峭折射率區(qū)域的離子交換玻璃的模譜的設備和方法
【專利說明】測量具有陡峭折射率區(qū)域的離子交換玻璃的模譜的設備和 方法
[0001] 相關申請義叉參考
[0002] 本申請根據(jù)35U. S. C. § 119，要求2013年10月30日提交的美國臨時申請系列第 61897546號的優(yōu)先權，本文W該申請為基礎并將其全文通過引用結(jié)合于此。
【背景技術】
[0003] 本發(fā)明設及對離子交換玻璃進行表征，具體來說，設及對具有睹峭且淺的近表面 折射率區(qū)域的離子交換玻璃的模譜(mode spectra)進行測量的設備和方法。
[0004] 可W通過離子交換工藝對某些類型的玻璃和玻璃陶瓷進行化學強化。由于形成了 近表面壓縮層導致強化，運通常產(chǎn)生應力誘發(fā)的雙折射。雙折射進而對應于玻璃中的折射 率曲線的偏振依賴性變化。離子交換過程通常改變了折射率曲線，其形狀對應于擴散進入 玻璃中的離子濃度。應力通過應力光學系數(shù)與雙折射線性相關。
[0005] 對于具有抗微生物(AM)表面性質(zhì)的化學強化玻璃存在不斷增加的商業(yè)興趣?？蒞 采用雙離子交換(DIOX)過程來制造此類玻璃，其中，進行第一離子交換(IOX)過程來進行強 化。IOX過程設及用較大的堿性離子(例如r)來交換原始基底(塊體)玻璃中存在的較小堿 性離子(例如化+或Li+)。第一 IOX過程之后是第二IOX過程，其包括抗微生物離子(例如Ag+)。 在某些情況下，可W同時供給兩種交換離子(即，較大的堿性離子和抗微生物離子）。所得到 的折射率曲線包括睹峭且淺的近表面區(qū)域，之后是沒有那么睹峭且較深的區(qū)域。
[0006] 采用棱鏡禪合對離子擴散的玻璃進行表征的光學方法W及對得到的模譜進行分 析是本領域已知的。但是，現(xiàn)有技術的棱鏡禪合系統(tǒng)和方法不能令人滿意地測量折射率曲 線的睹峭且淺的近表面區(qū)域的模譜。
[0007] 具體來說，在現(xiàn)有技術中，通過化學強化離子交換獲得并且通過高分辨率模譜測 量系統(tǒng)測得的折射率范圍通常小于約0.02RIU(折射率單位）。該有限的范圍使得現(xiàn)有技術 系統(tǒng)和方法能夠利用光檢測器處測得的模譜位置和模有效折射率（mode effective index)之間的線性近似。但是，由于抗微生物玻璃的折射率曲線特性通常具有超過或者遠 超過0.03RIU的折射率范圍，線性近似變得沒有那么準確并導致計算折射率和應力曲線中 的系統(tǒng)誤差，特別是在基材表面處和近基材表面處。
[000引甚至更重要的是，用于測量應力的現(xiàn)有技術系統(tǒng)無法檢測折射率曲線的睹峭近表 面區(qū)域中的傳播光模，或者在一些情況下，無法W對于實際有用的應力測量的足夠精度來 對它們進行檢測?；诩す庠床⑶也捎檬┘拥交牡男D(zhuǎn)棱鏡和活塞的不同類型棱鏡禪合 系統(tǒng)可用于檢測折射率分布的淺且睹峭折射率的模式，但是它們不具有對于應力測量所需 的精度也沒有適合解析部分主要在折射率曲線的較不睹峭和較深區(qū)域中傳播的模式的分 辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的第一個方面是對離子交換玻璃基材的TM和TE模譜進行測量的方法，所述 離子交換玻璃基材具有塊體折射率ns、表面W及具有睹峭且淺的近表面區(qū)域Rl的折射率曲 線。該方法包括:使得折射率np的禪合棱鏡與基材表面界面化（interfacing) W限定棱鏡-基材界面，在禪合棱鏡和基材表面之間具有折射率nf和厚度dl的界面化流體，其中，M < ns< np，其中，區(qū)域Rl滿足I禮I 3 0.0謝，其中，入是測量光的測量波長;其中，TM和TE模譜分別包 括第一和第二最低階模（即，基模(fundamen1:al mode)和次最高階模(next-highest-order mode))，W及選擇厚度dl位于如下厚度范圍內(nèi)，使得在存在禪合棱鏡的情況下至少測得的 TM和TE模譜的第一和第二最低階模的模式雙折射在該厚度范圍內(nèi)保持基本不變；W及將測 量光導向通過禪合棱鏡并通過界面化流體進入基材表面，并數(shù)字式地俘獲從棱鏡-基材界 面反射的TE和TM模譜。
[0010] 本發(fā)明的另一個方面是對離子交換玻璃基材的TM和TE模譜進行測量的方法，所述 離子交換玻璃基材具有塊體折射率ns、表面W及具有睹峭且淺的近表面區(qū)域Rl的折射率曲 線。該方法包括:使得折射率np的禪合棱鏡與基材表面界面化（interfacing) W限定棱鏡-基材界面，禪合棱鏡具有禪合表面，所述禪合表面具有厚度為d2且折射率為n。的涂層，其 中，0.2A含nc ? d2含0.8A;在棱鏡涂層和基材表面之間提供折射率為nf且厚度為dl的界面化 流體，其中，nc含nf < ns<np，其中，區(qū)域Rl滿足ggl S 其中，A是測量光的測量波長；W 及將測量光導向通過禪合棱鏡并通過界面化流體進入基材表面，并數(shù)字式地俘獲從棱鏡-基材界面反射的TE和TM模譜。
[0011] 本發(fā)明的另一個方面是用于測量離子交換波導的模譜的棱鏡禪合系統(tǒng)的禪合棱 鏡，所述離子交換波導具有折射率ns和表面。禪合棱鏡包括:禪合棱鏡體，其具有折射率np W 及輸入表面、輸出表面和禪合表面；W及禪合表面上的棱鏡涂層，棱鏡涂層的厚度為d2且折 射率為nc，其中，0.2入<〇。? d2<0.8入。
[0012] 在W下的詳細描述中給出了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對 本領域技術人員而言是容易理解的，或通過實施文字描述和其權利要求書W及附圖中所述 實施方式而被認識。應理解，上面的一般性描述和下面的詳細描述都僅僅是示例性的，用來 提供理解權利要求書的性質(zhì)和特點的總體評述或框架。
【附圖說明】
[0013] 所附附圖提供了對本發(fā)明的進一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構成說明書 的一部分?！靖綀D說明】了本發(fā)明的一個或多個實施方式，并與詳細描述一起用來解釋各種實 施方式的原理和操作。因此，結(jié)合附圖，通過W下詳細描述會更好地理解本發(fā)明，圖中：
[0014] 圖IA是平坦基材形式的示例性DIOX玻璃基材的放大圖；
[0015] 圖IB是圖IA的DIOX基材沿x-y平面得到的橫截面特寫圖，顯示在基材表面上發(fā)生 雙離子交換過程并進入基材體中；
[0016] 圖IC示意性顯示形成DIOX基材的DIOX工藝的結(jié)果；
[0017]圖視圖IC所示的DIOX基材的示例性折射率分布n(x)圖；
[0018] 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的示例性棱鏡禪合系統(tǒng)的示意圖；
[0019] 圖3B是圖3A的棱鏡禪合系統(tǒng)的光檢測器系統(tǒng)的特寫圖；
[0020] 圖3C是圖3B的光檢測器系統(tǒng)俘獲的TM和TE模譜的示例圖；
[0021] 圖4A是采用厚度為dl且折射率為M的界面化流體，使得示例性禪合棱鏡與離子交 換基材界面化的放大圖；
[0022] 圖4B是禪合棱鏡、界面化流體和基材的折射率分布n與距離X的關系圖，其包括淺 且睹峭的近表面折射率區(qū)域Rl，之后是較深且較不睹峭的折射率區(qū)域R2;
[0023] 圖5是對于界面化流體的不同折射率M值，基于模擬的最低階（即，零階)TM和TE模 的模式雙折射Bo與界面化流體的厚度dl(nm)的關系圖；
[0024] 圖6A類似于圖4A，顯示在基材-棱鏡界面處使用遠離化（stand-off)元件（"遠離 件"）來限定界面化流體的厚度的例子；
[0025] 圖6B類似于圖6A，顯示禪合表面上的遠離化元件相對于輸出表面?zhèn)缺认鄬τ谳斎?表面?zhèn)雀鼮榧械睦樱?br>[0026] 圖7A類似于圖4A和6B，顯示禪合棱鏡在禪合表面上包括棱鏡涂層的例子；
[0027] 圖7B類似于圖4B，顯示禪合棱鏡、棱鏡涂層、界面化流體和基材的折射率分布n與 距離X的關系圖；W及
[0028] 圖8類似于圖5,顯示零模Bo和第一階模Bi的模式雙折射B與(厚度為d2的)棱鏡涂層 和(厚度為dl的)不同界面化流體折射率M值的界面化流體的總厚度T(nm)的關系圖。
[0029] 出于便于顯示和討論的緣故在某些附圖中顯示笛卡爾坐標，它們并不旨在相對于 方向或朝向進行限制。
【具體實施方式】
[0030] 下面詳細描述本發(fā)明的各種實施方式，運些實施方式的例子在附圖中示出。只要 有可能，在所有附圖中使用相同或類似的附圖標記和符號來表示相同或類似的部分。附圖 不一定成比例，并且本領域技術人員會理解對附圖做出簡化W顯示本發(fā)明的關鍵方面。
[0031] 如下所附的權利要求書結(jié)合在該【具體實施方式】中并構成其部分。
[0032] 本文所提及的任意公開出版物或?qū)＠募娜耐ㄟ^引用結(jié)合，包括題為"用于 測量離子交換玻璃的應力分布的系統(tǒng)和方法（Systems and methods for measuring the stress profile of ion-exchanged glass)"的美國專利申請序列號 13/463,322,題為。用 于測量玻璃和玻璃陶瓷中的雙折射率的系統(tǒng)和方法（Systems and methods for measuring birefringence in glass and glass-ceramics)"的美國臨時專利申請序列號 61/706，891，W及題為"對于雙離子交換玻璃具有改進的模譜對比的棱鏡禪合方法(Prism coupling methods with improved mode spectrum contrast for double ion-exchanged glass)"的美國臨時專利申請序列號61/835,823。
[0033] 圖IA是平坦離子交換基材20形式的示例性玻璃基材的放大圖，其具有主體21和 (頂)表面22,其中，主體具有基底(塊體)折射率ns和表面折射率no。圖IB是基材20沿x-y平面 得到的橫截面特寫圖，顯示在表面22上發(fā)生雙離子交換(DIOX)過程并Wx方向進入主體21 中。
[0034] 圖IC示意性顯示形成離子交換基材20的雙離子交換過程的結(jié)果。離子交換基材20 包括主體21中的基材離子IS，其