Comment le niobate de lithium est utilisé pour la mesure de l'indice de réfraction

En raison de ses propriétés électro-optiques, piézoélectriques et optiques non linéaires exceptionnelles, le niobate de lithium possède une application vitale allant des télécommunications à grande échelle à la recherche en photonique. Son application la plus fondamentale est la mesure de l'indice de réfraction, à la fois en tant qu'objet de mesure cible et en tant qu'outil pour la mesure précise de l'indice optique d'autres substances.

1. Qu'est-ce que l'indice de réfraction ?

L'indice de réfraction, généralement symbolisé par n, est une mesure de la quantité de lumière qui se courbe, ou se réfracte, lorsqu'elle traverse une substance. Il s'agit d'un paramètre optique fondamental qui définit la focalisation de la lumière par les lentilles, la transmission d'une impulsion dans une fibre optique et l'action des cristaux en interaction avec les ondes électromagnétiques. Les mesures de l'indice de réfraction doivent être précises afin de concevoir des lasers, des modulateurs, des capteurs et des guides d'ondes.

Les propriétés optiques du niobate de lithium sont anisotropes. Il s'agit d'un cristal uniaxial, c'est-à-dire qu'il n'a qu'un seul axe optique. Il est donc biréfringent, c'est-à-dire qu'il possède deux indices de réfraction différents :

- Indice de réfraction ordinaire (nₒ) - pour la lumière polarisée perpendiculairement à l'axe optique.

- Indice de réfraction extraordinaire (nₑ) - pour la lumière polarisée parallèlement à l'axe optique.

La biréfringence n'est pas tant une propriété qu'un outil utile pour l'analyse et la manipulation de la lumière.

[1]

2. Propriétés optiques du niobate de lithium

Les indices de réfraction typiques du niobate de lithium congruent à 633 nm et à température ambiante sont les suivants :

-nₒ ≈ 2.286

-nₑ ≈ 2.203

Elles dépendent de la longueur d'onde, de la température et de la composition (LiNbO₃ stœchiométrique ou congruent). Les chercheurs ont dérivé les équations de Sellmeier pour décrire cette dépendance à la longueur d'onde. Une équation représentative pour le rayon ordinaire est la suivante :

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

où λ est la longueur d'onde en micromètres.

Cette réponse optiquement très spécifique fait du niobate de lithium un matériau d'étalonnage pour les instruments de mesure de l'indice de réfraction et un sujet d'étude pour la réfractométrie dépendant de la température ou de la longueur d'onde.

3. Techniques utilisant le niobate de lithium pour la mesure de l'indice de réfraction

(a) Technique de couplage de prismes (m-line)

Lecouplage de prisme est l'une des méthodes les plus courantes, dans laquelle un faisceau laser est transmis à travers un prisme d'indice proche d'un échantillon ou d'une couche mince de niobate de lithium. En fonction de l'angle d'incidence, les chercheurs observent des "lignes m" claires qui sont liées à des modes optiques guidés. Sur la base des angles des modes, l'indice de réfraction effectif du film ou du substrat peut être déterminé avec précision.

Les prismes en niobate de lithium sont particulièrement appréciés dans cette technique en raison de leur :

-leur faible perte de diffusion et leur qualité optique,

-la stabilité globale de l'indice de réfraction dans un régime de longueurs d'onde extrêmement large, et

de la stabilité globale de l'indice de réfraction dans un régime de longueurs d'onde extrêmement large, et - de la compatibilité avec les sources de lumière infrarouge et visible.

La technique peut être configurée pour fournir une précision de l'indice de réfraction supérieure à 10-⁴ et est donc un outil très recherché pour la caractérisation des guides d'ondes.

(b) Ellipsométrie

En optique des couches minces, l'ellipsométrie est utilisée pour détecter les changements de polarisation de la lumière réfléchie par une surface. Lors de la croissance de films de niobate de lithium sur des substrats tels que le saphir ou le silicium, les mesures ellipsométriques sont appliquées pour quantifier l'épaisseur du film et la dispersion de l'indice de réfraction.

Le niobate de lithium étant anisotrope, on utilise généralement VASE. Cela facilite la caractérisation complète du tenseur, c'est-à-dire la mesure de la dépendance en longueur d'onde de l'indice ordinaire et de l'indice extraordinaire.

(c) Interférométrie

Les interféromètres de Michelson ou de Mach-Zehnder peuvent être utilisés pour détecter des variations très mineures de l'indice de réfraction. Le niobate de lithium, en raison de son important effet électro-optique (indice de réfraction dépendant du champ électrique), est un matériau idéal pour tester un tel dispositif.

En appliquant une tension contrôlée à un cristal de niobate de lithium, les chercheurs sont en effet capables de voir les déphasages des franges d'interférence, ce qui leur permet de déduire une variation de l'indice de réfraction (Δn). Cette propriété est également utilisée pour l'étalonnage des interféromètres afin de mesurer avec précision les variations de l'indice de réfraction dans les gaz, les liquides et d'autres solides.

(d) Réfractométrie dépendante de la température

Comme l'indice de réfraction du niobate de lithium dépend de la température, le niobate de lithium est également utilisé pour déterminer thermiquement les coefficients thermo-optiques. Il est courant de chauffer par étapes le cristal avec des valeurs connues et un déplacement angulaire dans les faisceaux transmis ou réfléchis.

Par exemple, des études ont montré que les coefficients thermo-optiques (dn/dT) pour LiNbO₃ sont approximativement :

-dnₒ/dT ≈ 3,9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3.2 × 10-⁵ K-¹

Cette information est très utile pour la conception de dispositifs optiques insensibles à la température tels que les doubleurs de fréquence et les modulateurs.

4. Exemple de cas : Étalonnage de l'indice de réfraction dans la fabrication de guides d'ondes optiques

Le niobate de lithium sert à la fois de substrat et de référence d'indice de réfraction pour la fabrication de circuits optiques intégrés. Le titane est diffusé dans la surface du cristal pour augmenter l'indice de réfraction local d'environ 0,003 à 0,010 dans le cas de la fabrication de guides d'ondes en Ti:LiNbO₃.

Pour vérifier une telle modification, les ingénieurs calculent les angles de propagation des modes en se basant sur la technique de couplage des prismes décrite ci-dessus. La connaissance fiable des indices de réfraction de base du niobate de lithium facilite le calcul précis de la profondeur de diffusion et du confinement des modes optiques.

Cela garantit que les dispositifs résultants - modulateurs Mach-Zehnder, commutateurs optiques et déphaseurs - fonctionnent au mieux dans les réseaux de télécommunication.

Pour en savoir plus : Plaquettes en tantalate de lithium ou en niobate de lithium : Une comparaison complète pour les passionnés de technologie

5. Pourquoi le niobate de lithium domine la métrologie optique

L'utilité du niobate de lithium pour la mesure de l'indice de réfraction repose sur la combinaison des éléments suivants :

-Une grande transparence optique (350 nm à 5 μm).

-indices de réfraction reproductibles et stables

-la possibilité de polir la surface à des niveaux élevés

-Possédant une réponse électro-optique élevée qui permet un accord et une modulation active.

Ces caractéristiques en font à la fois une plate-forme de matériaux actifs pour les futurs dispositifs de métrologie optique et un matériau de mesure passif.

6. Conclusion

Depuis son utilisation initiale comme composé d'étalonnage de l'indice de réfraction jusqu'à la mesure électro-optique dynamique, le niobate de lithium a été et reste un outil indispensable pour la science optique. Sa biréfringence, sa stabilité à la température et ses processus de fabrication bien établis permettent aux scientifiques et aux ingénieurs d'étudier les racines mêmes de l'interaction entre la lumière et la matière. Pour des matériaux optiques plus avancés, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Référence :

[1] Andrienko, Denis (2018). Introduction aux cristaux liquides. Journal of Molecular Liquids. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.