Cómo se utiliza el niobato de litio para medir el índice de refracción

Debido a sus excepcionales propiedades electroópticas, piezoeléctricas y ópticas no lineales, el niobato de litio posee una aplicación vital que va desde las telecomunicaciones de amplio espectro hasta la investigación en fotónica. Su aplicación más básica entre muchas otras es la medición del índice de refracción, tanto como objeto de medición en sí mismo como herramienta para la medición de precisión del índice óptico de otras sustancias.

1. Qué es el índice de refracción

Elíndice de refracción, normalmente simbolizado como n, es una medida de la cantidad de luz que se curva, o refracta, cuando viaja a través de una sustancia. Es un parámetro óptico fundamental que define el enfoque de la luz por las lentes, la transmisión en fibra óptica de un impulso y la acción de los cristales en interacción con las ondas electromagnéticas. Las mediciones del índice de refracción deben ser precisas para diseñar láseres, moduladores, sensores y guías de ondas.

Las propiedades ópticas del niobato de litio son anisótropas: es un cristal uniaxial, es decir, que sólo tiene un eje óptico. Por lo tanto, es birrefringente y tiene dos índices de refracción diferentes:

- Índice de refracción ordinario (nₒ) - para la luz polarizada perpendicularmente al eje óptico.

- Índice de refracción extraordinario (nₑ): para la luz polarizada paralelamente al eje óptico.

La birrefringencia no es tanto una propiedad como una herramienta útil para el análisis y la manipulación de la luz.

[1]

2. Propiedades ópticas del niobato de litio

Los índices de refracción típicos del niobato de litio congruente a 633 nm y temperatura ambiente son:

-nₒ ≈ 2,286

-nₑ ≈ 2,203

Dependen de la longitud de onda, la temperatura y la composición (LiNbO₃ estequiométrico o congruente). Los investigadores han derivado ecuaciones de Sellmeier para describir esta dependencia de la longitud de onda. Una ecuación representativa para el rayo ordinario es:

nₒ^2(λ) = 5.35583 + 0.100473/ (λ^2 - 0.20692^2) + 100/(λ^2 - 11.34927^2)

donde λ es la longitud de onda en micrómetros.

Esta respuesta ópticamente muy especificada hace del niobato de litio un material calibrante para instrumentos de medida del índice de refracción y un objeto de investigación en refractometría dependiente de la temperatura o de la longitud de onda.

3. Técnicas que utilizan el niobato de litio para la medición del índice de refracción

(a) Técnica de acoplamiento de prismas (m-line)

Elacoplamiento de prismas es uno de los métodos más comunes, en el que un haz láser se transmite a través de un prisma de índice cercano en contacto con una muestra o película delgada de niobato de litio. En función del ángulo de incidencia, los investigadores observan "líneas m" claras que están relacionadas con los modos ópticos guiados. A partir de los ángulos de los modos, se puede determinar con precisión el índice de refracción efectivo de la película o el sustrato.

Los prismas de niobato de litio se ven especialmente favorecidos en esta técnica debido a:

-Bajas pérdidas por dispersión y calidad óptica,

-Estabilidad general del índice de refracción en un régimen de longitudes de onda extremadamente amplio.

-Compatibilidad con fuentes de luz tanto infrarrojas como visibles.

La técnica puede configurarse para proporcionar una precisión del índice de refracción superior a 10-⁴ y, por lo tanto, es una herramienta muy solicitada en la caracterización de guías de ondas.

(b) Elipsometría

En la óptica de películas delgadas, la elipsometría se emplea para detectar cambios de polarización de la luz reflejada desde una superficie. En el crecimiento de películas de niobato de litio sobre materiales de sustrato como el zafiro o el silicio, las mediciones elipsométricas se aplican para cuantificar el espesor de la película y la dispersión del índice de refracción.

El niobato de litio es anisótropo, por lo que suele emplearse VASE. Esto facilita la caracterización tensorial completa, es decir, la medición de la dependencia de la longitud de onda de los índices ordinario y extraordinario.

(c) Interferometría

Para la detección de variaciones muy pequeñas del índice de refracción pueden emplearse disposiciones de interferómetros de Michelson o Mach-Zehnder. El niobato de litio, debido a su gran efecto electroóptico (índice de refracción dependiente del campo eléctrico), es un material ideal para probar una configuración de este tipo.

Aplicando un voltaje controlado a un cristal de niobato de litio, los investigadores son capaces de ver los cambios de fase de las franjas de interferencia, a partir de los cuales obtienen un cambio en el índice de refracción (Δn). Esta propiedad también se aplica para calibrar interferómetros con el fin de medir con precisión la variación del índice de refracción en gases, líquidos y otros sólidos.

(d) Refractometría dependiente de la temperatura

Dado que el niobato de litio tiene un índice de refracción dependiente de la temperatura, el niobato de litio también tiene usos en la determinación térmica de coeficientes termo-ópticos. Es habitual calentar por pasos el cristal con valores y desplazamiento angular conocidos en haces transmitidos o reflejados.

Por ejemplo, los estudios han demostrado coeficientes termo-ópticos (dn/dT) para LiNbO₃ son aproximadamente:

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3,2 × 10-⁵ K-¹

Esta información es de gran utilidad en el diseño de dispositivos ópticos insensibles a la temperatura, como dobladores de frecuencia y moduladores.

4. Ejemplo de caso: Calibración del índice de refracción en la fabricación de guías de ondas ópticas

El niobato de litio sirve tanto de material de sustrato como de referencia del índice de refracción para la fabricación de circuitos ópticos integrados. El titanio se difunde en la superficie del cristal para elevar el índice de refracción local entre ~0,003 y 0,010 en el caso de la fabricación de guías de ondas en Ti:LiNbO₃.

Para verificar dicha modificación, los ingenieros calculan los ángulos de propagación de los modos basándose en la técnica de acoplamiento de prismas descrita anteriormente. El conocimiento fiable de los índices de refracción de base del niobato de litio facilita el cálculo preciso de la profundidad de difusión y el confinamiento de los modos ópticos.

Esto garantiza que los dispositivos resultantes -moduladores Mach-Zehnder, conmutadores ópticos y desfasadores- funcionen mejor en las redes de telecomunicaciones.

Más información: Obleas de tantalato de litio frente a obleas de niobato de litio: Una comparación exhaustiva para los entusiastas de la tecnología

5. Por qué el niobato de litio domina la metrología óptica

La utilidad del niobato de litio para la medición del índice de refracción se basa en la combinación de:

-Alta transparencia óptica (350 nm a 5 μm).

-índices de refracción reproducibles y estables

-Superficie pulible a altos niveles

-Posee una elevada respuesta electroóptica que permite una sintonización y modulación activas.

Estas características lo convierten tanto en una plataforma de material activo para futuros dispositivos de metrología óptica como en un material objeto de medición pasiva.

6. Conclusión

Desde su empleo inicial como compuesto de calibración del índice de refracción hasta la medición electroóptica dinámica, el niobato de litio ha sido y sigue siendo una herramienta indispensable para la ciencia óptica. Su birrefringencia, estabilidad térmica y procesos de fabricación bien establecidos permiten a científicos e ingenieros investigar las raíces mismas de la interacción luz-materia. Para más información sobre materiales ópticos avanzados, consulte Materiales Avanzados de Stanford (SAM).

Referencias:

[1] Andrienko, Denis. (2018). Introducción a los cristales líquidos. Revista de líquidos moleculares. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.