Wie Lithiumniobat für die Messung des Brechungsindex genutzt wird

Aufgrund seiner außergewöhnlichen elektrooptischen, piezoelektrischen und nichtlinearen optischen Eigenschaften besitzt Lithiumniobat ein breites Anwendungsspektrum, das von der Telekommunikation bis hin zur Forschung im Bereich der Photonik reicht. Seine grundlegendste Anwendung ist die Messung des Brechungsindexes - sowohl als Messobjekt selbst als auch als Werkzeug für die präzise Messung des optischen Indexes anderer Substanzen.

1. Was ist Brechungsindex?

Der Brechungsindex, in der Regel mit n symbolisiert, ist ein Maß für die Menge an Licht, die beim Durchgang durch eine Substanz gebeugt oder gebrochen wird. Er ist ein grundlegender optischer Parameter, der die Fokussierung von Licht durch Linsen, die Übertragung von Impulsen in Glasfasern und die Wirkung von Kristallen bei der Interaktion mit elektromagnetischen Wellen bestimmt. Für die Entwicklung von Lasern, Modulatoren, Sensoren und Wellenleitern muss der Brechungsindex genau gemessen werden.

Die optischen Eigenschaften von Lithiumniobat sind anisotrop - es ist ein uniaxialer Kristall, d. h. er hat nur eine optische Achse. Daher ist er doppelbrechend und hat zwei verschiedene Brechungsindizes:

- Ordentlicher Brechungsindex (nₒ) - für senkrecht zur optischen Achse polarisiertes Licht.

- Außerordentlicher Brechungsindex (nₑ) - für parallel zur optischen Achse polarisiertes Licht.

Die Doppelbrechung ist weniger eine Eigenschaft als vielmehr ein nützliches Werkzeug für die Analyse und Manipulation von Licht.

[1]

2. Die optischen Eigenschaften von Lithiumniobat

Typische Brechungsindizes von kongruentem Lithiumniobat bei 633 nm und Raumtemperatur sind:

-nₒ ≈ 2,286

-nₑ ≈ 2,203

Sie sind abhängig von der Wellenlänge, der Temperatur und der Zusammensetzung (stöchiometrisches oder kongruentes LiNbO₃). Die Forscher haben Sellmeier-Gleichungen abgeleitet, um diese Wellenlängenabhängigkeit zu beschreiben. Eine repräsentative Gleichung für den gewöhnlichen Strahl lautet:

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

wobei λ die Wellenlänge in Mikrometern ist.

Diese optisch hoch spezifizierte Reaktion macht Lithiumniobat zu einem kalibrierenden Material für Brechungsindex-Messgeräte und zu einem Untersuchungsgegenstand in der temperatur- oder wellenlängenabhängigen Refraktometrie.

3. Techniken zur Verwendung von Lithiumniobat für die Messung des Brechungsindex

(a) Prismenkopplung (m-line) Technik

DiePrismenkopplung ist eine der gebräuchlichsten Methoden, bei der ein Laserstrahl durch ein Indexprisma in der Nähe einer Lithium-Niobat-Probe oder eines dünnen Films geleitet wird. Anhand des Einfallswinkels beobachten die Forscher deutliche "m-Linien", die mit geführten optischen Moden in Verbindung stehen. Ausgehend von den Modenwinkeln lässt sich der effektive Brechungsindex des Films oder Substrats genau bestimmen.

Lithium-Niobat-Prismen werden bei dieser Technik besonders bevorzugt, da sie:

-geringe Streuverluste und optische Qualität,

-Gesamtstabilität des Brechungsindex in einem extrem breiten Wellenlängenbereich und

-Anpassungsfähigkeit sowohl bei infraroten als auch bei sichtbaren Lichtquellen.

Die Technik kann so konfiguriert werden, dass eine Brechungsindexgenauigkeit von mehr als 10-⁴ erreicht wird, und ist daher ein begehrtes Instrument zur Charakterisierung von Wellenleitern.

(b) Ellipsometrie

In der Dünnschichtoptik wird die Ellipsometrie eingesetzt, um Polarisationsänderungen des von einer Oberfläche reflektierten Lichts festzustellen. Beim Aufwachsen von Lithiumniobat-Schichten auf Substratmaterialien wie Saphir oder Silizium werden ellipsometrische Messungen zur Quantifizierung der Schichtdicke und der Dispersion des Brechungsindexes eingesetzt.

Lithiumniobat ist anisotrop, daher wird in der Regel VASE verwendet. Dies erleichtert die vollständige Charakterisierung des Tensors, d. h. die Messung der Wellenlängenabhängigkeit des ordentlichen und des außerordentlichen Indexes.

(c) Interferometrie

Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer können für den Nachweis sehr geringer Brechungsindexschwankungen eingesetzt werden. Lithiumniobat ist aufgrund seines großen elektrooptischen Effekts (vom elektrischen Feld abhängiger Brechungsindex) ein ideales Material für den Test einer solchen Anordnung.

Durch Anlegen einer kontrollierten Spannung an einen Lithiumniobatkristall sind die Forscher in der Lage, Phasenverschiebungen der Interferenzstreifen zu beobachten, aus denen sie eine Änderung des Brechungsindex (Δn) ableiten. Diese Eigenschaft wird auch für die Kalibrierung von Interferometern genutzt, um die Veränderung des Brechungsindex in Gasen, Flüssigkeiten und anderen Festkörpern genau zu messen.

(d) Temperaturabhängige Refraktometrie

Da der Brechungsindex von Lithiumniobat temperaturabhängig ist, kann Lithiumniobat auch für die thermische Bestimmung thermooptischer Koeffizienten verwendet werden. Es ist üblich, den Kristall bei bekannten Werten und Winkelverschiebungen in durchgelassenen oder reflektierten Strahlen schrittweise zu erhitzen.

Studien haben zum Beispiel gezeigt, dass die thermooptischen Koeffizienten (dn/dT) für LiNbO₃ ungefähr wie folgt sind:

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3,2 × 10-⁵ K-¹

Diese Information ist von großem Nutzen für den Entwurf von temperaturunempfindlichen optischen Geräten wie Frequenzverdopplern und Modulatoren.

4. Fallbeispiel: Kalibrierung des Brechungsindexes bei der Herstellung von Lichtwellenleitern

Lithiumniobat dient sowohl als Substratmaterial als auch als Referenz für den Brechungsindex bei der Herstellung von integrierten optischen Schaltungen. Titan wird in die Oberfläche des Kristalls eindiffundiert, um den lokalen Brechungsindex um ~0,003 bis 0,010 bei der Herstellung von Wellenleitern aus Ti:LiNbO₃ zu erhöhen.

Um eine solche Änderung zu überprüfen, berechnen die Ingenieure die Ausbreitungswinkel der Moden auf der Grundlage der oben beschriebenen Prismenkopplungstechnik. Die zuverlässige Kenntnis der Basis-Brechungsindizes von Lithiumniobat macht es einfach, die Diffusionstiefe und den optischen Modeneinschluss genau zu berechnen.

Dadurch wird sichergestellt, dass die daraus resultierenden Bauelemente - Mach-Zehnder-Modulatoren, optische Schalter und Phasenschieber - in Telekommunikationsnetzen optimal funktionieren.

Weitere Lektüre: Lithiumtantalat vs. Lithiumniobat-Wafer: Ein umfassender Vergleich für Technik-Enthusiasten

5. Warum Lithiumniobat die optische Metrologie dominiert

Die Nützlichkeit von Lithiumniobat für die Messung des Brechungsindexes beruht auf der Kombination von

-hohe optische Transparenz (350 nm bis 5 μm)

-Reproduzierbare, stabile Brechungsindizes

-Oberflächenpolierbarkeit auf hohem Niveau

-Eine hohe elektro-optische Reaktion, die eine aktive Abstimmung und Modulation ermöglicht

Diese Eigenschaften machen es sowohl zu einer aktiven Materialplattform für künftige optische Messgeräte als auch zu einem passiven Messobjektmaterial.

6. Schlussfolgerung

Von seiner anfänglichen Verwendung als Mittel zur Kalibrierung des Brechungsindex bis hin zu dynamischen elektrooptischen Messungen war und ist Lithiumniobat ein unverzichtbares Werkzeug für die optische Wissenschaft. Seine Doppelbrechung, Temperaturstabilität und gut etablierten Herstellungsverfahren ermöglichen es Wissenschaftlern und Ingenieuren, die Grundlagen der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu untersuchen. Weitere fortschrittliche optische Materialien finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Andrienko, Denis (2018). Einführung in Flüssigkristalle. Journal of Molecular Liquids. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.