Como o niobato de lítio é utilizado para a medição do índice de refração

Devido às suas excepcionais propriedades eletro-ópticas, piezoelétricas e ópticas não lineares, o niobato de lítio possui uma aplicação vital, desde as telecomunicações abrangentes até a pesquisa em fotônica. Sua aplicação mais básica, entre muitas outras, é a medição do índice de refração, tanto como o próprio objeto de medição quanto como uma ferramenta para a medição precisa do índice óptico de outras substâncias.

1. O que é índice de refração

O índice de refração, geralmente simbolizado como n, é uma medida da quantidade de luz que se curva, ou refrata, ao passar por uma substância. É um parâmetro óptico fundamental que define a focalização da luz por lentes, a transmissão de um impulso na fibra óptica e a ação dos cristais na interação com ondas eletromagnéticas. As medições do índice de refração precisam ser precisas para projetar lasers, moduladores, sensores e guias de onda.

As propriedades ópticas do niobato de lítio são anisotrópicas - ele é um cristal uniaxial, ou seja, tem apenas um eixo óptico. Portanto, ele é birrefringente, tendo dois índices de refração diferentes:

- Índice de refração ordinário (nₒ) - para luz polarizada perpendicularmente ao eixo óptico.

- Índice de refração extraordinário (nₑ) - para luz polarizada paralelamente ao eixo óptico.

A birrefringência não é tanto uma propriedade - é uma ferramenta útil para a análise e a manipulação da luz.

[1]

2. Propriedades ópticas do niobato de lítio

Os índices de refração típicos do niobato de lítio congruente a 633 nm e à temperatura ambiente são:

-nₒ ≈ 2,286

-nₑ ≈ 2,203

Eles dependem do comprimento de onda, da temperatura e da composição (LiNbO₃ estequiométrico ou congruente). Os pesquisadores derivaram as equações de Sellmeier para descrever essa dependência do comprimento de onda. Uma equação representativa para o raio comum é:

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

em que λ é o comprimento de onda em micrômetros.

Essa resposta opticamente altamente especificada torna o niobato de lítio um material calibrante para instrumentos de medição de índice de refração e um objeto de investigação em refratometria dependente de temperatura ou comprimento de onda.

3. Técnicas que utilizam o niobato de lítio para a medição do índice de refração

(a) Técnica de acoplamento de prisma (m-line)

O acoplamento deprisma é um dos métodos mais comuns, em que um feixe de laser é transmitido por um prisma de índice próximo ao contato com uma amostra ou filme fino de niobato de lítio. Com base no ângulo de incidência, os pesquisadores observam "linhas m" claras que estão relacionadas a modos ópticos guiados. Com base nos ângulos de modo, o índice de refração efetivo do filme ou substrato pode ser determinado com precisão.

Os prismas de niobato de lítio são particularmente favorecidos nessa técnica devido a:

-Baixa perda por dispersão e qualidade óptica,

-estabilidade geral do índice de refração em um regime de comprimento de onda extremamente amplo e

-Compatibilidade com fontes de luz infravermelha e visível.

A técnica pode ser configurada para fornecer precisão de índice de refração superior a 10-⁴ e, portanto, é uma ferramenta muito procurada na caracterização de guias de ondas.

(b) Elipsometria

Na óptica de película fina, a elipsometria é empregada para detectar alterações de polarização da luz refletida de uma superfície. No crescimento do filme de niobato de lítio em materiais de substrato, como safira ou silício, as medições elipsométricas são aplicadas para quantificar a espessura do filme e a dispersão do índice de refração.

O niobato de lítio é anisotrópico e, portanto, o VASE é normalmente empregado. Isso facilita a caracterização completa do tensor - medição da dependência do comprimento de onda dos índices ordinário e extraordinário.

(c) Interferometria

Os arranjos de interferômetro Michelson ou Mach-Zehnder podem ser usados para a detecção de variações muito pequenas do índice de refração. O niobato de lítio, devido ao seu grande efeito eletro-óptico (índice de refração dependente do campo elétrico), é um material ideal para testar essa configuração.

Ao aplicar uma tensão controlada a um cristal de niobato de lítio, os pesquisadores são capazes de visualizar as mudanças de fase das franjas de interferência, das quais derivam uma alteração no índice de refração (Δn). A propriedade também é aplicada para calibração de interferômetro com o objetivo de medir a variação do índice de refração em gases, líquidos e outros sólidos com precisão.

(d) Refratometria dependente da temperatura

Como o índice de refração do niobato de lítio depende da temperatura, ele também pode ser usado para determinar termicamente os coeficientes termo-ópticos. É comum aquecer o cristal em etapas com valores conhecidos e deslocamento angular em feixes transmitidos ou refletidos.

Por exemplo, estudos mostraram que os coeficientes termo-ópticos (dn/dT) para LiNbO₃ são aproximadamente:

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3,2 × 10-⁵ K-¹

Essas informações são de grande utilidade no projeto de dispositivos ópticos insensíveis à temperatura, como duplicadores e moduladores de frequência.

4. Exemplo de caso: Calibração do índice de refração na fabricação de guias de ondas ópticas

O niobato de lítio serve tanto como material de substrato quanto como referência de índice de refração para a fabricação de circuitos ópticos integrados. O titânio é difundido na superfície do cristal para aumentar o índice de refração local em aproximadamente 0,003 a 0,010 no caso da fabricação de guias de onda em Ti:LiNbO₃.

Para verificar essa modificação, os engenheiros calculam os ângulos de propagação do modo com base na técnica de acoplamento de prisma descrita acima. O conhecimento confiável dos índices de refração de linha de base do niobato de lítio simplifica o cálculo preciso da profundidade de difusão e do confinamento do modo óptico.

Isso garante que os dispositivos resultantes - moduladores Mach-Zehnder, comutadores ópticos e deslocadores de fase - funcionem melhor em redes de telecomunicações.

Leia mais: Wafers de tantalato de lítio vs. wafers de niobato de lítio: Uma comparação abrangente para entusiastas de tecnologia

5. Por que o niobato de lítio domina a metrologia óptica

A utilidade do niobato de lítio para a medição do índice de refração se baseia na combinação de:

-Alta transparência óptica (350 nm a 5 μm)

-índices de refração estáveis e reproduzíveis

-polibilidade da superfície em níveis elevados

-Possuir uma alta resposta eletro-óptica que permite o ajuste e a modulação ativos

Essas características fazem dele uma plataforma de material ativo para futuros dispositivos de metrologia óptica, bem como um material de medição passiva.

6. Conclusão

Desde seu emprego inicial como um composto de calibração de índice de refração até a medição eletro-óptica dinâmica, o niobato de lítio foi e continua sendo uma ferramenta indispensável para a ciência óptica. Sua birrefringência, estabilidade de temperatura e processos de fabricação bem estabelecidos permitem que cientistas e engenheiros investiguem as próprias raízes da interação entre luz e matéria. Para obter mais materiais ópticos avançados, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

[1] Andrienko, Denis (2018). Introduction to liquid crystals (Introdução aos cristais líquidos). Journal of Molecular Liquids. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.