كيف يتم استخدام نيوبات الليثيوم لقياس معامل الانكسار

نظرًا لخصائصه البصرية الكهروضوئية والكهروضغطية والبصرية غير الخطية الاستثنائية، يمتلك نيوبيه الليثيوم تطبيقات حيوية من الاتصالات واسعة النطاق إلى الأبحاث في مجال الضوئيات. ومن بين تطبيقاته الأساسية من بين العديد من التطبيقات الأخرى قياس معامل الانكسار - سواء كجسم قياس الهدف نفسه أو كأداة لقياس المؤشر البصري الدقيق للمواد الأخرى.

1. ما هو معامل الانكسار

معامل الانكسار، الذي يرمز له عادةً بالرمز n، هو مقياس لكمية الضوء الذي ينحني، أو ينكسر، عند انتقاله عبر مادة ما. وهو معامل بصري أساسي يحدد تركيز الضوء بواسطة العدسات، والنقل في الألياف الضوئية للدفعة، وعمل البلورات في التفاعل مع الموجات الكهرومغناطيسية. يجب أن تكون قياسات معامل الانكسار دقيقة من أجل تصميم أجهزة الليزر والمعدِّلات وأجهزة الاستشعار والأدلة الموجية.

إن الخصائص البصرية لنيوبات الليثيوم متباينة الخواص - فهي بلورة أحادية المحور، أي أن لها محور بصري واحد فقط. ولذلك، فهي ذات انكسار ثنائي الانكسار، أي أن لها مؤشرين مختلفين للانكسار:

- معامل الانكسار العادي (n ـــــــ) - للضوء المستقطب عموديًا على المحور البصري.

- مُعامِل انكسار غير عادي (nـــــــ) - للضوء المستقطب الموازي للمحور البصري.

لا يُعدّ الانكسار الثنائي الانكسار خاصية - بل هو أداة مفيدة لتحليل الضوء ومعالجته.

[1]

2. الخصائص البصرية لنيوبات الليثيوم

معاملات الانكسار النموذجية لنيوبات الليثيوم المتطابقة عند 633 نانومتر ودرجة حرارة الغرفة هي

-نـ ≈ 2.286

-نـ ≈ 2.203

وهي تعتمد على الطول الموجي ودرجة الحرارة والتركيب (متكافئ أو متطابق LiNbO₃). وقد اشتق الباحثون معادلات سيلماير لوصف هذا الاعتماد على الطول الموجي. والمعادلة التمثيلية للأشعة العادية هي:

ₒ^2(λ) = 5.35583 + 0.100473/ (λ^2 - 0.20692^2) + 100/(λ^2 - 11.34927^2)

حيث λ هو الطول الموجي بالميكرومتر.

تجعل هذه الاستجابة المحددة بصريًا عالية التحديد من نيوبيات الليثيوم مادة معايرة لأدوات قياس معامل الانكسار وموضوعًا للتحقيق في قياس الانكسار المعتمد على درجة الحرارة أو الطول الموجي.

3. تقنيات استخدام نيوبيات الليثيوم لقياس معامل الانكسار

(أ) تقنية اقتران المنشور (خط م)

اقتران المنشور هو أحد أكثر الطرق شيوعًا، حيث ينتقل شعاع الليزر من خلال منشور فهرسي قريب من التلامس مع عينة أو غشاء رقيق من نيو بليت الليثيوم. وعلى أساس زاوية السقوط، يلاحظ الباحثون وجود "خطوط m" واضحة ترتبط بالأنماط البصرية الموجهة. وبناءً على زوايا الوضع، يمكن تحديد معامل الانكسار الفعال للفيلم أو الركيزة بدقة.

تُعد موشورات نيوبيات الليثيوم مفضلة بشكل خاص في هذه التقنية بسبب

-انخفاض فقدان التشتت والجودة البصرية,

-استقرار معامل الانكسار الكلي عبر نظام الطول الموجي الواسع للغاية، و

-قابلية التوافق مع كل من مصادر الضوء تحت الحمراء والمرئية.

يمكن تهيئة هذه التقنية لتوفير دقة معامل انكسار أكبر من 10 ⁴، وبالتالي فهي أداة مطلوبة بشدة في توصيف الدليل الموجي.

(ب) قياس الانكسار

في البصريات ذات الأغشية الرقيقة، يُستخدم قياس الإهليلج للكشف عن تغيرات استقطاب الضوء المنعكس من السطح. في نمو غشاء نيو بليت الليثيوم على مواد الركيزة مثل الياقوت أو السيليكون، يتم تطبيق قياسات قياس الإهليلج لقياس سماكة الغشاء وتشتت معامل الانكسار.

نيوبرات الليثيوم متباينة الخواص وبالتالي يتم عادةً استخدام قياس التشتت الإهليلجي. وهذا يسهل توصيف الموتر الكامل - قياس الاعتماد على الطول الموجي للمؤشرات العادية وغير العادية.

(ج) قياس التداخل

يمكن استخدام ترتيبات مقياس التداخل Michelson أو Mach-Zehnder للكشف عن الاختلافات الطفيفة جدًا في معامل الانكسار. وتُعد مادة الليثيوم نيوبات الليثيوم، بسبب تأثيرها الكهروبصري الكبير (معامل الانكسار المعتمد على المجال الكهربائي)، مادة مثالية لاختبار مثل هذا الإعداد.

ومن خلال تطبيق الجهد الكهربائي المتحكم به على بلورة نيو بليت الليثيوم، يستطيع الباحثون في الواقع عرض التحولات الطورية لأهداب التداخل، والتي يستمدون منها التغير في معامل الانكسار (Δن). يتم تطبيق هذه الخاصية أيضًا لمعايرة مقياس التداخل بهدف قياس تغير معامل الانكسار في الغازات والسوائل والمواد الصلبة الأخرى بدقة.

(د) قياس الانكسار المعتمد على درجة الحرارة

بما أن معامل الانكسار المعتمد على درجة الحرارة لنيوبات الليثيوم يعتمد على درجة الحرارة، فإن لنيوبات الليثيوم استخدامات في تحديد المعاملات الحرارية البصرية حرارياً. من الشائع أن يتم تسخين البلورة بقيم معروفة والإزاحة الزاوية في الحزم المرسلة أو المنعكسة.

على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن المعاملات الحرارية البصرية (dn/dT) لـ LiNbO₃₃ تقريبًا

-dnـ/dT ≈ 3.9 × 10-⁵ K-¹

-ndnـₑ/dT ≈ 3.2 × 10-⁵ K-¹

هذه المعلومات ذات فائدة كبيرة في تصميم الأجهزة البصرية غير الحساسة لدرجات الحرارة مثل مضاعفات التردد والمعدلات.

4. مثال حالة: معايرة معامل الانكسار في تصنيع الدليل الموجي البصري

تُستخدم نيوبات الليثيوم كمادة ركيزة ومرجع معامل الانكسار لتصنيع الدوائر البصرية المتكاملة. ويتم نشر التيتانيوم في سطح البلورة لرفع معامل الانكسار المحلي بمقدار 0.003 إلى 0.010 تقريبًا في حالة تصنيع الدليل الموجي في Ti:LiNbO₃ LiNo_2083↩.

وللتحقق من هذا التعديل، يقوم المهندسون بحساب زوايا انتشار النمط بناءً على تقنية اقتران المنشور الموضحة أعلاه. إن المعرفة الموثوقة لمؤشرات الانكسار الأساسية لنيوبات الليثيوم تجعل من السهل حساب عمق الانتشار وحصر الوضع البصري بدقة.

ويضمن ذلك أن تعمل الأجهزة الناتجة - مُعدِّلات ماك-زيندر والمفاتيح الضوئية ومبدلات الطور - بشكل أفضل في شبكات الاتصالات.

مزيد من القراءة: رقائق الليثيوم تانتالات الليثيوم مقابل رقائق الليثيوم نيوبات: مقارنة شاملة لعشاق التكنولوجيا

5. لماذا تهيمن رقاقات الليثيوم نيوبات الليثيوم على المقاييس البصرية

تعتمد فائدة الليثيوم نيوبات الليثيوم لقياس معامل الانكسار على مزيج من:

-شفافية بصرية عالية (350 نانومتر إلى 5 ميكرومتر)

-مؤشرات انكسار مستقرة وقابلة للاختزال

-قابلية تلميع السطح بمستويات عالية

-امتلاك استجابة كهروضوئية عالية تسمح بالضبط والتعديل النشطين

هذه الخصائص تجعلها منصة مواد نشطة لأجهزة القياس البصرية المستقبلية وكذلك مادة قياس سلبية موضوعية للقياس.

6. الخاتمة

منذ استخدامه في البداية كمركب لمعايرة معامل الانكسار إلى القياس الديناميكي الكهروبصري الديناميكي، كان نيوبيه الليثيوم ولا يزال أداة لا غنى عنها في العلوم البصرية. يسمح انكسار انكساره، واستقرار درجة حرارته، وعمليات تصنيعه الراسخة للعلماء والمهندسين بالتحقيق في جذور التفاعل بين الضوء والمادة. لمزيد من المواد البصرية المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] أندريينكو، دينيس. (2018). مقدمة في البلورات السائلة. مجلة السوائل الجزيئية. 267. 10.1016/j.molliq.2018.01.175.