리튬 니오베이트가 굴절률 측정에 활용되는 방법

리튬 니오베이트는 뛰어난 전기 광학, 압전 및 비선형 광학 특성으로 인해 광범위한 통신에서 포토닉스 연구에 이르기까지 매우 중요한 응용 분야를 보유하고 있습니다. 가장 기본적인 응용 분야는 굴절률 측정으로, 측정 대상 자체와 다른 물질의 정밀 광학 굴절률 측정을 위한 도구로 모두 사용됩니다.

1. 굴절률이란?

일반적으로 n으로 표시되는굴절률은 물질을 통과할 때 휘어지거나 굴절되는 빛의 양을 측정한 값입니다. 굴절률은 렌즈에 의한 빛의 초점, 임펄스의 광섬유 투과, 전자기파와의 상호작용에서 결정의 작용을 정의하는 기본적인 광학 매개변수입니다. 레이저, 변조기, 센서, 도파관을 설계하려면 굴절률 측정이 정확해야 합니다.

리튬 니오베이트의 광학적 특성은 이방성, 즉 광축이 하나뿐인 단축 결정입니다. 따라서 두 개의 다른 굴절률을 갖는 복굴절입니다:

- 보통 굴절률(nₒ) - 광축에 수직으로 편광된 빛의 경우.

- 특수 굴절률(nₑ) - 광축에 평행하게 편광된 빛의 경우.

복굴절은 단순한 속성이 아니라 빛의 분석과 조작에 유용한 도구입니다.

[1]

2. 리튬 니오베이트의 광학 특성

633nm 및 실온에서 공준 리튬 니오베이트의 일반적인 굴절률은 다음과 같습니다:

-nₒ ≈ 2.286

-nₑ ≈ 2.203

이 값은 파장, 온도 및 조성(화학량론적 또는 공준성 LiNbO₃)에 따라 달라집니다. 연구자들은 이러한 파장 의존성을 설명하기 위해 셀마이어 방정식을 도출했습니다. 일반 광선에 대한 대표적인 방정식은 다음과 같습니다:

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

여기서 λ는 마이크로미터 단위의 파장입니다.

이러한 광학적으로 매우 특정한 반응으로 인해 리튬 니오베이트는 굴절률 측정 기기의 교정 재료이자 온도 또는 파장 의존 굴절 측정의 조사 대상입니다.

3. 굴절률 측정에 리튬 니오베이트 활용 기술 3.

(a) 프리즘 커플링(m-라인) 기술

프리즘 커플링은 가장 일반적인 방법 중 하나로, 레이저 빔이 인덱스 프리즘을 통해 리튬 니오베이트 시료 또는 박막과 거의 접촉하여 투과되는 방식입니다. 연구자들은 입사각에 따라 유도 광학 모드와 관련된 선명한 "m-라인"을 관찰합니다. 모드 각도를 기반으로 필름 또는 기판의 유효 굴절률을 정확하게 결정할 수 있습니다.

리튬 니오베이트 프리즘은 다음과 같은 이유로 이 기술에서 특히 선호됩니다:

-낮은 산란 손실과 광학 품질,

-매우 넓은 파장대에 걸친 전반적인 굴절률 안정성, 그리고 다음과 같은 이유로 선호됩니다.

-적외선 및 가시광선 광원 모두에 대한 적합성.

이 기술은 10-⁴ 이상의 굴절률 정확도를 제공하도록 구성할 수 있으므로 도파관 특성화에서 많이 찾는 도구입니다.

(b) 타원측정

박막 광학에서는 표면에서 반사된 빛의 편광 변화를 감지하기 위해 타원측정법을 사용합니다. 사파이어 또는 실리콘과 같은 기판 재료에서 리튬 니오베이트 필름이 성장하는 경우, 필름 두께와 굴절률의 분산을 정량화하기 위해 타원 측정을 적용합니다.

리튬 니오베이트는 이방성이므로 일반적으로 VASE가 사용됩니다. 이를 통해 일반 및 특수 지수의 파장 의존성에 대한 전체 텐서 특성화 측정을 용이하게 합니다.

(c) 간섭 측정

미켈슨 또는 마하-젠더 간섭계 배열은 매우 미세한 굴절률 변화를 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 리튬 니오베이트는 전기 광학 효과(전기장 의존 굴절률)가 크기 때문에 이러한 설정을 테스트하는 데 이상적인 재료입니다.

연구자들은 리튬 니오베이트 결정에 제어된 전압을 가함으로써 실제로 간섭 프린지의 위상 변화를 관찰할 수 있으며, 이를 통해 굴절률(Δn)의 변화를 도출할 수 있습니다. 이 특성은 기체, 액체 및 기타 고체의 굴절률 변화를 정확하게 측정하기 위한 간섭계 교정에도 적용됩니다.

(d) 온도 의존 굴절률 측정

리튬 니오베이트는 온도에 따라 굴절률이 달라지기 때문에 열 광학 계수를 측정하는 데도 사용됩니다. 일반적으로 투과 또는 반사된 빔에서 알려진 값과 각도 변위로 결정을 단계적으로 가열하는 것이 일반적입니다.

예를 들어, 연구에 따르면 LiNbO₃의 열광 계수(dn/dT)는 대략 다음과 같습니다:

-dnₒ/dT ≈ 3.9 × 10-⁵ K-¹

-dnₑ/dT ≈ 3.2 × 10-⁵ K-¹

이 정보는 주파수 배율기 및 변조기와 같이 온도에 민감하지 않은 광학 장치를 설계할 때 매우 유용합니다.

4. 사례 예시: 광 도파관 제조에서의 굴절률 보정

리튬 니오베이트는 집적 광학 회로 제조에서 기판 재료이자 굴절률 기준 역할을 합니다. 티타늄은 결정 표면으로 확산되어 Ti:LiNbO₃로 도파관을 제조하는 경우 국부 굴절률을 ~0.003 ~ 0.010까지 높입니다.

이러한 변경을 검증하기 위해 엔지니어는 위에서 설명한 프리즘 커플링 기술을 기반으로 모드 전파 각도를 계산합니다. 리튬 니오베이트의 기준 굴절률에 대한 신뢰할 수 있는 지식이 있으면 확산 깊이와 광학 모드 제한을 정확하게 계산할 수 있습니다.

이를 통해 결과 장치인 마하 젠더 변조기, 광 스위치 및 위상 시프터가 통신 네트워크에서 가장 잘 작동하도록 보장합니다.

더 읽어보기: 리튬 탄탈레이트와 리튬 니오베이트 웨이퍼 비교: 기술 애호가를 위한 포괄적인 비교

5. 리튬 니오베이트가 광학 계측을 지배하는 이유

굴절률 측정에 대한 리튬 니오베이트의 유용성은 다음과 같은 조합에 따라 달라집니다:

-높은 광학 투명도(350nm ~ 5μm)

-재현 가능하고 안정적인 굴절률 지수

-높은 수준의 표면 연마성

-능동적인 튜닝 및 변조를 가능하게 하는 높은 전기 광학 응답성 보유

이러한 특성으로 인해 미래 광학 계측 기기를 위한 능동형 소재 플랫폼이자 수동형 측정 대상 소재이기도 합니다.

6. 결론

굴절률 교정 화합물로 처음 사용된 이후 동적 전기 광학 측정에 이르기까지 리튬 니오베이트는 광학 과학에 없어서는 안 될 필수 도구로 자리 잡았습니다. 복굴절, 온도 안정성, 잘 정립된 제조 공정을 통해 과학자와 엔지니어는 빛과 물질의 상호 작용의 근원을 탐구할 수 있습니다. 고급 광학 재료에 대한 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)를 참조하세요.

참조:

[1] 안드리엔코, 데니스 (2018). 액정 소개. 분자 액체 저널. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.