Come viene utilizzato il niobato di litio per la misurazione dell'indice di rifrazione

Grazie alle sue eccezionali proprietà elettro-ottiche, piezoelettriche e ottiche non lineari, il niobato di litio ha un'applicazione vitale, dalle telecomunicazioni ad ampio raggio alla ricerca in fotonica. La sua applicazione più importante è la misurazione dell'indice di rifrazione, sia come oggetto di misura che come strumento per la misurazione di precisione dell'indice ottico di altre sostanze.

1. Cos'è l'indice di rifrazione

L'indice di rifrazione, solitamente simboleggiato come n, è una misura della quantità di luce che si piega, o si rifrange, quando attraversa una sostanza. È un parametro ottico fondamentale che definisce la focalizzazione della luce da parte delle lenti, la trasmissione in fibra ottica di un impulso e l'azione dei cristalli nell'interazione con le onde elettromagnetiche. Le misure dell'indice di rifrazione devono essere accurate per progettare laser, modulatori, sensori e guide d'onda.

Le proprietà ottiche del niobato di litio sono anisotrope: è un cristallo monoassiale, cioè ha un solo asse ottico. Pertanto, è birifrangente e presenta due diversi indici di rifrazione:

- Indice di rifrazione ordinario (nₒ) - per la luce polarizzata perpendicolarmente all'asse ottico.

- Indice di rifrazione straordinario (nₑ) - per la luce polarizzata parallelamente all'asse ottico.

La birifrangenza non è tanto una proprietà quanto uno strumento utile per l'analisi e la manipolazione della luce.

[1]

2. Proprietà ottiche del niobato di litio

Gli indici di rifrazione tipici del niobato di litio congruente a 633 nm e a temperatura ambiente sono:

-nₒ ≈ 2,286

-nₑ ≈ 2,203

Dipendono dalla lunghezza d'onda, dalla temperatura e dalla composizione (stechiometrica o congruente di LiNbO₃). I ricercatori hanno derivato le equazioni di Sellmeier per descrivere questa dipendenza dalla lunghezza d'onda. Un'equazione rappresentativa per il raggio ordinario è:

nₒ^2(λ) = 5,35583 + 0,100473/ (λ^2 - 0,20692^2) + 100/(λ^2 - 11,34927^2)

dove λ è la lunghezza d'onda in micrometri.

Questa risposta altamente specifica dal punto di vista ottico rende il niobato di litio un materiale calibrante per gli strumenti di misura dell'indice di rifrazione e un oggetto di indagine nella rifrattometria dipendente dalla temperatura o dalla lunghezza d'onda.

3. Tecniche che utilizzano il niobato di litio per la misurazione dell'indice di rifrazione

(a) Tecnica dell'accoppiamento a prisma (m-line)

L'accoppiamento del prisma è uno dei metodi più comuni, in cui un raggio laser viene trasmesso attraverso un prisma di indice vicino al contatto con un campione o un film sottile di niobato di litio. In base all'angolo di incidenza, i ricercatori osservano chiare "linee m" che sono correlate ai modi ottici guidati. In base agli angoli dei modi, è possibile determinare con precisione l'indice di rifrazione effettivo del film o del substrato.

I prismi di niobato di litio sono particolarmente indicati per questa tecnica grazie a:

-Bassa perdita di dispersione e qualità ottica,

-stabilità complessiva dell'indice di rifrazione in un regime di lunghezze d'onda estremamente ampio e

-La loro compatibilità con le sorgenti luminose sia infrarosse che visibili.

La tecnica può essere configurata per fornire un'accuratezza dell'indice di rifrazione superiore a 10-⁴ ed è quindi uno strumento molto richiesto nella caratterizzazione delle guide d'onda.

(b) Ellissometria

Nell'ottica a film sottile, l'ellissometria viene impiegata per rilevare i cambiamenti di polarizzazione della luce riflessa da una superficie. Nella crescita di film di niobato di litio su materiali di substrato come lo zaffiro o il silicio, le misure ellissometriche sono applicate per quantificare lo spessore del film e la dispersione dell'indice di rifrazione.

Il niobato di litio è anisotropo e quindi si utilizza tipicamente il VASE. Ciò facilita la caratterizzazione tensoriale completa, ovvero la misurazione della dipendenza dalla lunghezza d'onda degli indici ordinari e straordinari.

(c) Interferometria

Per rilevare variazioni minime dell'indice di rifrazione si possono utilizzare interferometri di Michelson o Mach-Zehnder. Il niobato di litio, grazie al suo grande effetto elettro-ottico (indice di rifrazione dipendente dal campo elettrico), è un materiale ideale per testare tale configurazione.

Applicando una tensione controllata a un cristallo di niobato di litio, i ricercatori sono in grado di visualizzare gli spostamenti di fase delle frange di interferenza, da cui ricavano una variazione dell'indice di rifrazione (Δn). Questa proprietà viene applicata anche per la calibrazione degli interferometri, allo scopo di misurare con precisione la variazione dell'indice di rifrazione in gas, liquidi e altri solidi.

(d) Rifrattometria dipendente dalla temperatura

Poiché l'indice di rifrazione del niobato di litio dipende dalla temperatura, il niobato di litio trova impiego anche nella determinazione termica dei coefficienti termo-ottici. È comune riscaldare a gradini il cristallo con valori e spostamenti angolari noti nei fasci trasmessi o riflessi.

Ad esempio, alcuni studi hanno dimostrato che i coefficienti termo-ottici (dn/dT) per LiNbO₃ sono approssimativamente:

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3,2 × 10-⁵ K-¹

Questa informazione è di grande utilità nella progettazione di dispositivi ottici insensibili alla temperatura, come i doppiatori di frequenza e i modulatori.

4. Esempio di caso: Calibrazione dell'indice di rifrazione nella fabbricazione delle guide d'onda ottiche

Il niobato di litio serve sia come materiale di substrato che come indice di rifrazione di riferimento per la produzione di circuiti ottici integrati. Il titanio viene diffuso nella superficie del cristallo per aumentare l'indice di rifrazione locale di ~0,003-0,010 nel caso della produzione di guide d'onda in Ti:LiNbO₃.

Per verificare tale modifica, gli ingegneri calcolano gli angoli di propagazione dei modi sulla base della tecnica di accoppiamento dei prismi descritta in precedenza. La conoscenza affidabile degli indici di rifrazione di base del niobato di litio rende semplice calcolare con precisione la profondità di diffusione e il confinamento ottico dei modi.

Ciò garantisce che i dispositivi risultanti - modulatori di Mach-Zehnder, interruttori ottici e sfasatori - funzionino al meglio nelle reti di telecomunicazione.

Ulteriori letture: Wafer di tantalato di litio e wafer di niobato di litio: Un confronto completo per gli appassionati di tecnologia

5. Perché il niobato di litio domina la metrologia ottica

L'utilità del niobato di litio per la misurazione dell'indice di rifrazione si basa sulla combinazione di:

-Elevata trasparenza ottica (da 350 nm a 5 μm).

-indici di rifrazione stabili e riproducibili

-lucidabilità della superficie a livelli elevati

-Possesso di un'elevata risposta elettro-ottica che consente la sintonizzazione e la modulazione attiva.

Queste caratteristiche lo rendono sia una piattaforma di materiali attivi per i futuri dispositivi di metrologia ottica, sia un materiale passivo oggetto di misurazione.

6. Conclusioni

Dal suo impiego iniziale come composto di calibrazione dell'indice di rifrazione alla misurazione elettro-ottica dinamica, il niobato di litio è stato e rimane uno strumento indispensabile per la scienza ottica. La sua birifrangenza, la stabilità alla temperatura e i processi di fabbricazione consolidati consentono a scienziati e ingegneri di indagare le radici stesse dell'interazione luce-materia. Per ulteriori materiali ottici avanzati, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] Andrienko, Denis (2018). Introduzione ai cristalli liquidi. Journal of Molecular Liquids. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.