Il niobato di litio (LN) è un materiale molto usato nei dispositivi di ottica integrata impiegati in diversi campi, da quello delle comunicazioni in fibra ottica fino alla sensoristica. I cristalli con polarizzazione periodica sono al giorno d’oggi tra i componenti fotonici più efficienti per la generazione di frequenze ottenute tramite la tecnica del quasi-phase-matching (QPM).

Questo permette di ottenere radiazione coerente nella regione spettrale del medio infrarosso. La possibilità di avere una sorgente di radiazione coerente nel medio IR è molto interessante dal punto di vista spettroscopico poiché la maggior parte delle transizioni roto-vibrazionali fondamentali di molte molecole di interesse ambientale si trovano in tale ragione spettrale. Al giorno d’oggi inoltre, non esistono sorgenti laser commerciali con emissione attorno ai 3μm. Diverse tipologie di interferometri vengono utilizzati nel nostro labarotorio per l’analisi non-distruttiva di alcune proprietà fisiche dei cristalli di niobato di litio (LiNbO₃), quali l’effetto elettroottico, quello termo-ottico e l’ espansione termica.

Per la misura del coefficiente elettroottico, il campione di LiNbO₃ viene inserito in una celletta particolare, mostrata nella foto, che grazie all’utilizzo di un elettrolita permette l’illuminazione del campione durante l’applicazione del campo elettrico lungo la direzione z del cristallo. Quindi la celletta è inserita in uno dei bracci dell’interferometro RGI mostrato in figura, composto principalmente da uno specchio e da un reticolo di diffrazione. La luce laser viene lanciata in una fibra a singolo modo, quindi l’onda sferica emessa dalla fibra viene ricollimata dallo specchio parabolico off-axis. Il fronte d’onda w(x,y) viene diviso spazialmente in due parti w₁(x,y) e w₂(x,y). La prima incide sullo specchio che la riflette sul reticolo, mentre la seconda, che funge da fascio oggetto, attraversa il campione e poi incide sul reticolo. Cella porta-campione L’angolo di incidenza dei due fronti d’onda sul reticolo è tale che entrambi vengoo diffratti lungo la normale al reticolo. I due fasci quindi interferiscono; il pattern d’interferenza viene acquisito dalla CCD e poi inviato ad un PC per l’analisi numerica.

Una tecnica basata sull’olografia digitale viene utilizzata per la ricostruzione numerica degli interferogrammi acquisiti. Questa tecnica ha molti vantaggi in confronto ad altri metodi per l’analisi delle frange:

1. una sola immagine è necessaria per calcolare la fase del fronte d’onda diffratto dall’oggetto, quindi possono essere studiati eventi con una dinamica veloce;
2. le frange sono acquisite senza l’utilizzo di lenti, evitando così eventuali aberrazioni nel pattern di frange;
3. la ricostruzione numerica elimina effetti di diffrazione poichè l’ampiezza e la fase del fascio oggetto sono ricostruiti alla corretta distanza di messa a fuoco
4. the numerical reconstruction of the backpropagated beam eliminates spreading diffraction effects because the amplitude and the phase of the object beam are reconstructed at the correct focusing distance.

Nella immagine in basso è mostrato la mappa di fase ricostruita relativa a un cristallo di LiNbO₃ con due domini ferroelettrici di polarizzazione opposta durante l’applicazione di una tensione pari a 5 kV. Poiché la tecnica utilizzata permette di ottenere mappe di fase bidimensionali, è possibile studiare l’uniformità dei cristalli e l’eventuale presenza di difetti.

Di fondamentale importanza per un’efficiente generazione di luce nei cristalli non lineari tramite la tecnica del QPM è la conoscenza della dipendenza dalla temperatura e dalla lunghezza d’onda di parametri fisici dei cristalli ferroelettrici come ad esempio, l’indice di rifrazione n(λ,T), il coeffiente termo-ottico ∂n/∂T(λ,T) e il coefficiente di espansione termica α(λ,T).

Per la misura di questi parametri sono state usate varie tecniche basate o sulla variazione della condizione di phase matching o sulla misura interferometrica della variazione del cammino ottico. Lo svantaggio di questi metodi è che sia il cambiamento dell’indice di rifrazione che l’espansione termica influenzano la misura per cui si ha bisogno di informazioni a priori o di altre misure per distinguere i due effetti. Col nostro metodo invece, utilizzando due tecniche interferometriche, è possibile misurare simultaneamente e indipendentemente il coefficiente termo-ottico (componente ordinaria e straordinaria) e il coefficiente di espansione termica del niobato di litio. Nella foto è mostrato il set-up ottico dell’apparato di misura.

Usando un reticolo olografico scritto sulla superficie di un cristallo di niobato di litio, possiamo determinare il coefficiente di espansione termica tramite l’uso di un interferometro RGI che ha, per l’appunto, il vantaggio di essere totalmente insensibile alle variazioni dell’indice di rifrazione. Gli interferogrammi acquisiti cambiano al variare della temperatura e, quindi, da un’analisi numerica di ciascun interferogramma, basata sulla trasformata di Fourier, è possibile ricavare il coefficiente di espansione termica. Questo coefficiente viene utilizzato per ottenere il coefficiente termo-ottico dalle misure effettuate con un’interferometro Mach-Zehnder. Infatti la sfasamento subito dal fascio laser che attraversa il campione lungo la direzione degli assi X del cristallo nell’interferometro Mach-Zehnder contiene sia il contributo dell’espansione termica che quello della variazione dell’indice di rifrazione; quindi la combinazione delle due misure permette di ottenere entrambi i coefficienti indipendentemente.