Как ниобат лития используется для измерения показателя преломления

Благодаря своим исключительным электрооптическим, пьезоэлектрическим и нелинейно-оптическим свойствам ниобат лития находит широкое применение в самых разных сферах - от телекоммуникаций до исследований в области фотоники. Самым основным его применением среди многих является измерение показателя преломления - как в качестве целевого объекта измерения, так и в качестве инструмента для прецизионного измерения показателя оптики других веществ.

1. Что такое показатель преломления

Показатель преломления, обычно обозначаемый символом n, - это мера количества света, который отклоняется, или преломляется, при прохождении через вещество. Это фундаментальный оптический параметр, определяющий фокусировку света линзами, передачу импульса в оптическом волокне и действие кристаллов при взаимодействии с электромагнитными волнами. Измерения показателя преломления должны быть точными, чтобы разрабатывать лазеры, модуляторы, датчики и волноводы.

Оптические свойства ниобата лития анизотропны - это одноосный кристалл, т.е. у него только одна оптическая ось. Поэтому он двулучепреломляющий, имеющий два разных показателя преломления:

- Обычный показатель преломления (nₒ) - для света, поляризованного перпендикулярно оптической оси.

- Необычный показатель преломления (nₑ) - для света, поляризованного параллельно оптической оси.

Двулучепреломление - это не столько свойство, сколько полезный инструмент для анализа и манипулирования светом.

[1]

2. Оптические свойства ниобата лития

Типичные показатели преломления конгруэнтного ниобата лития при 633 нм и комнатной температуре составляют:

-nₒ ≈ 2,286

-nₑ ≈ 2,203

Они зависят от длины волны, температуры и состава (стехиометрический или конгруэнтный LiNbO₃). Исследователи вывели уравнения Селлмейера для описания этой зависимости от длины волны. Репрезентативное уравнение для обычного луча имеет вид:

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

где λ - длина волны в микрометрах.

Такой оптически точно заданный отклик делает ниобат лития калибровочным материалом для приборов для измерения показателя преломления и предметом исследования в рефрактометрии, зависящей от температуры и длины волны.

3. Методы, использующие ниобат лития для измерения показателя преломления

(a) Метод призменного соединения (m-line)

Призменная связь - один из наиболее распространенных методов, при котором лазерный луч пропускается через индексную призму, находящуюся в непосредственной близости от образца или тонкой пленки ниобата лития. Исходя из угла падения, исследователи наблюдают четкие "m-линии", которые связаны с направляемыми оптическими модами. По углам мод можно точно определить эффективный коэффициент преломления пленки или подложки.

Призмы из ниобата лития особенно предпочтительны в этой технике благодаря:

-Низкие потери на рассеяние и оптическое качество,

-Общая стабильность показателя преломления в чрезвычайно широком диапазоне длин волн, и

-пригодности для работы с источниками света как инфракрасного, так и видимого диапазона.

Метод может быть настроен для обеспечения точности показателя преломления более 10-⁴ и поэтому является очень востребованным инструментом для определения характеристик волноводов.

(b) Эллипсометрия

В тонкопленочной оптике эллипсометрия используется для определения изменений поляризации отраженного от поверхности света. При выращивании пленки ниобата лития на таких материалах подложки, как сапфир или кремний, эллипсометрические измерения применяются для количественного определения толщины пленки и дисперсии показателя преломления.

Ниобат лития анизотропен, поэтому обычно используется VASE. Это позволяет получить полную тензорную характеристику - измерение зависимости обычного и необычного показателей от длины волны.

(c) Интерферометрия

Для обнаружения очень незначительных вариаций показателя преломления можно использовать интерферометры Майкельсона или Маха-Цендера. Ниобат лития, благодаря своему большому электрооптическому эффекту (показатель преломления зависит от электрического поля), является идеальным материалом для тестирования такой установки.

Подавая управляемое напряжение на кристалл ниобата лития, исследователи могут наблюдать фазовые сдвиги интерференционных полос, из которых они выводят изменение показателя преломления (Δn). Это свойство также применяется для калибровки интерферометров с целью точного измерения изменения показателя преломления в газах, жидкостях и других твердых телах.

(d) Температурно-зависимая рефрактометрия

Поскольку показатель преломления ниобата лития зависит от температуры, ниобат лития также используется для термического определения термооптических коэффициентов. Обычно проводится ступенчатый нагрев кристалла с известными значениями и угловым смещением в проходящих или отраженных лучах.

Например, исследования показали, что термооптические коэффициенты (dn/dT) для LiNbO₃ составляют приблизительно:

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3,2 × 10-⁵ K-¹.

Эта информация очень полезна при проектировании чувствительных к температуре оптических устройств, таких как удвоители частоты и модуляторы.

4. Пример из практики: Калибровка показателя преломления при изготовлении оптического волновода

Ниобат лития служит одновременно материалом подложки и эталоном показателя преломления при производстве интегральных оптических схем. Титан диффундирует в поверхность кристалла, чтобы повысить локальный показатель преломления на ~0,003-0,010 в случае изготовления волновода из Ti:LiNbO₃.

Для проверки такой модификации инженеры рассчитывают углы распространения мод на основе методики призменного соединения, описанной выше. Достоверное знание базовых показателей преломления ниобата лития упрощает точный расчет глубины диффузии и оптического удержания мод.

Это гарантирует, что полученные устройства - модуляторы Маха-Зендера, оптические переключатели и фазовращатели - будут наилучшим образом работать в телекоммуникационных сетях.

Дополнительное чтение: Пластины из танталата лития и ниобата лития: Всестороннее сравнение для любителей техники

5. Почему ниобат лития доминирует в оптической метрологии

Полезность ниобата лития для измерения показателя преломления обусловлена сочетанием:

-высокой оптической прозрачности (от 350 нм до 5 мкм)

-воспроизводимые, стабильные показатели преломления

-Полируемость поверхности на высоком уровне

-обладание высоким электрооптическим откликом, позволяющим осуществлять активную настройку и модуляцию.

Эти характеристики позволяют использовать его как в качестве активной материальной платформы для будущих оптических метрологических устройств, так и в качестве пассивного измерительного материала.

6. Заключение

Ниобат лития был и остается незаменимым инструментом для оптической науки, начиная с его первоначального использования в качестве калибровочного соединения для определения показателя преломления и заканчивая динамическими электрооптическими измерениями. Его двулучепреломление, температурная стабильность и хорошо отлаженные процессы изготовления позволяют ученым и инженерам исследовать самые основы взаимодействия света и вещества. Более подробную информацию о передовых оптических материалах вы можете найти на сайте Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Андриенко, Денис (2018). Введение в жидкие кристаллы. Journal of Molecular Liquids. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.