Niobio en sitio de litio y optimización del efecto fotorrefractivo en guías de LiNbO3

Resumen

El LiNbO3 es uno de los sólidos ferroeléctricos más empleados actualmente en óptica integrada, óptica no lineal y optoelectrónica por sus propiedades electroópticas, acustoópticas, fotorrefractivas y no lineales, que dan lugar a variadas aplicaciones tales como moduladores electroópticos, memorias holográficas, filtros interferenciales, espejos conjugados de fase, absorbentes saturables, etc. Las propiedades y aplicaciones fotorrefractivas, tema en que se desarrolla esta tesis, comenzaron a investigarse en cristales a finales de los sesenta, y sólo más recientemente -sobre todo en la última década- en guía de onda. La mayor parte de los trabajos se han realizado en guías de onda por difusión de titanio dopadas con impurezas de hierro, obteniéndose distintos dispositivos como reflectores Bragg y deflectores, aunque estas guías tenían la desventaja de presentar daño óptico a bajas intensidades luminosas (~ 1 W/cm2) En nuestro laboratorio de Óptica No Lineal se abordó recientemente la investigación del efecto fotorrefractivo en otro tipo de guías, las guías por intercambio protónico, cuyo método de fabricación es sencillo y algunas de sus ¿fases¿, como la fase ¿, presentan propiedades no lineales prometedoras. El estudio desarrollado dio lugar a tres trabajos previos a esta tesis [Méndez2000, Paliza2003, Paliza2005] que probaban la viabilidad del efecto fotorrefractivo en estas guías, aunque aún con prestaciones modestas. En este contexto, el objetivo de esta tesis ha sido avanzar en la comprensión y optimización del efecto fotorrefractivo en este tipo de guías para obtener las mejores prestaciones en dispositivos holográficos. Esta tarea se ha abordado por un doble camino: i) mejorar la modelización teórica del efecto fotorrefractivo en guía de onda, y ii) abordar experimentalmente la investigación de vías de optimización de la respuesta fotorrefractiva. Respecto al trabajo teórico, datos previos [Paliza 2003] sobre las llamadas corrientes fotovoltaicas, claves en el efecto fotorrefractivo en LiNbO3, no podían ser explicados con el modelo habitual ¿de un solo centro¿ (la impureza de Fe). Estos datos, unidos a algunos otros de la literatura [Berben2000, Herth2005] sugirieron una modificación del modelo teórico que involucraba, además del Fe, un segundo centro intrínseco, el niobio en sitio de litio, NbLi.. Por ello, se ha desarrollado una formulación teórica basada en dos centros donadores de electrones (impurezas de hierro y niobios en sitio de litio), que se describe en el capítulo 4. Las predicciones de esta formulación teórica se han obtenido mediante dos modelos algo distintos (modelo de bandas y modelo de ¿hopping¿), que en su conjunto permiten describir la mayor parte de las situaciones experimentales de interés. Además, esta teoría trasciende los límites de las guías por intercambio protónico y se convierte en un avance en la descripción del transporte de carga en niobato de litio. El modelo de bandas de dos centros se utiliza en el capítulo 5 para explicar, ahora muy satisfactoriamente, los resultados experimentales de corriente fotovoltaica y para determinar parámetros físicos de transporte de las guías por intercambio protónico. Además, en este capítulo se investiga un aspecto que se comprobará relevante: la influencia de la temperatura en las corrientes fotovoltaicas. El estudio se realiza a través de la aplicación del modelo y de la realización de algunas medidas que están en buen acuerdo con las predicciones teóricas. Por otra parte, la investigación experimental orientada a la optimización de la respuesta fotorrefractiva en guías por intercambio protónico se describe en el capítulo 6, capítulo extenso en que se abordan tres aspectos. A) En primer lugar, se determina el rango óptimo de intensidad luminosa para aplicaciones holográficas. Para ello se extiende el modelo teórico de bandas a la descripción del grabado y fijado de redes fotorrefractivas y se realizan medidas experimentales de hologramas grabados y fijados en función de la intensidad luminosa. B) En segundo lugar, se fabrican y caracterizan por primera vez guías por intercambio protónico en fase ¿ sobre substratos dopados con Fe y se caracteriza su efecto fotorrefractivo. C) Finalmente, y motivados por los resultados del apartado anterior, se encuentra e investiga otro parámetro clave en el comportamiento fotorrefractivo de las guías ¿: el tiempo de intercambio protónico, que condiciona el estado de óxido-reducción de las impurezas activas y, a través de él, el tiempo de respuesta fotorrefractivo y el daño óptico. Además de los capítulos de resultados (4-6), cuyo contenido acabamos de describir, la tesis consta de una sección introductoria (I) de dos capítulos. El primero resume las propiedades y características del LiNbO3 en volumen y guía de onda, haciendo especial hincapié en las guías fabricadas por intercambio protónico. El capítulo 2 está dedicado a la descripción del efecto fotorrefractivo en LiNbO3, tanto en volumen como en configuración de guía. A continuación incorporamos una sección (II) de un solo capítulo sobre la fabricación y caracterización de las guías usadas en esta tesis. Después de la sección III de resultados, ya comentada brevemente, se presenta un apartado con las principales conclusiones del trabajo y, finalmente en un apéndice, se detalla la investigación realizada sobre la mejora de los métodos de medida de la intensidad luminosa en el interior de la guía. Este aspecto, de gran importancia en los experimentos en guías ópticas, se ha resuelto de modo muy satisfactorio en colaboración con otro estudiante del laboratorio.