레이저 광학 장치란?
레이저 광학 장치는 일반적으로 일정하고 단색이며, 자주 편광되고, 때때로 강도가 높다는 특징이 있는 레이저 광을 조작하기 위해 고안된 구성품입니다. 레이저 광학 장치의 형태와 응용 분야는 매우 다양해서 일반화하기는 어렵지만, 대개 매우 정밀하게 제작되어야만 정상 작동합니다.
레이저 광학 장치는 파이버 통신 마이크로 광학 장치부터 미터급 망원경 거울에 이르기까지 사용되는 응용 분야만큼이나 다양합니다. 굴절, 반사, 회절, 편광, 스펙트럼 선택 프로세스, 비선형 효과, 산란 등 거의 모든 유형의 빛/물질 상호 작용을 통해 레이저 빔을 조작합니다.
레이저 광학 장치의 제작에도 비슷하게 다양한 기법이 사용됩니다. 전통적인 연삭 및 연마(자동 및 컴퓨터 제어 변형 포함)부터 단일 지점 다이아몬드 선삭, 리소그래피, 각종 성형 및 복제 방법, 홀로그램 기술, 다양한 박막 코팅 공정에 이르기까지 여러 가지가 있습니다.
그러나 레이저 광학을 통합하는 몇 가지 요소가 있습니다. 첫째, 거의 예외없이 레이저 빔의 원래 파면 품질을 유지해야 합니다. 그래야만 공간적 밝기 및 일관성과 같이 레이저 빛을 독특하게 만드는 품질을 보존할 수 있습니다. 광학 장치에 의해 발생하는 파면 왜곡은 시스템 효율성, 그리고 레이저 초점을 유지하고 빔 프로파일을 유지하는 능력을 제한합니다. 광학 장치는 재료 가공, 수술, 현미경 검사, 유세포 분석, 통신 등 대부분의 응용 분야에 적용됩니다. 제조 측면에서 파면 왜곡을 최소화하려면 일반적으로 표면 모양이 매우 정확한 광학 장치를 만들고 매우 균질한 재료를 사용해야 합니다.
또한 레이저 광학 장치는 일반적으로 산란을 최소화해야 합니다. 산란은 레이저 시스템 효율성을 감소시키고 소음을 유발할 수 있기 때문입니다. 산란은 이미징부터 재료 처리까지 모든 면에서 성능을 저하시킵니다. 산란을 최소화하는 것도 레이저로 인한 고출력 레이저 광학 장치 손상을 방지하는 핵심 요소입니다. 산란이 적은 광학 장치를 제조하는 첫 번째 단계는 일반적으로 부품 표면의 거칠기를 줄이는 것입니다.
레이저 광학 장치는 Brewster 창을 제외하고 대개는 박막 필름으로 코팅되어 있습니다. 일반적으로 성능을 향상시키기 위한 공정입니다. 예를 들어, 대부분의 투과형 레이저 광학 장치는 반사 방지 코팅을 사용하여 처리량을 극대화하고 원치 않는(고스트) 반사를 최소화합니다. 박막 코팅은 광학 기판 재료보다 내구성이 강한 경우가 많으므로 코팅을 사용하여 광학 장치 표면을 보호하고 부품 수명을 연장할 수도 있습니다. Coherent 다이아몬드 오버코트(DOC)가 대표적입니다.
이 주제는 정말 광범위하므로, 이 문서에서는 레이저 광학 장치의 가장 중요하고 광범위한 클래스에 대한 개요만 설명하겠습니다. 다음의 개요 설명에 있는 목록은 절대 포괄적이지 않습니다.
렌즈
렌즈는 레이저 광을 1차원 또는 2차원으로 집중시키거나 확산시키는 굴절 투과 광학 장치입니다. 레이저 렌즈는 주로 단색광에 사용되므로 색 수차(파장에 따른 렌즈 초점 거리의 변화)는 거의 문제가 되지 않습니다. 이러한 이유로 (색 보정이 없는) 단일 요소 렌즈는 광학 장치가 완전히 축상으로 작동하는 간단한 작업에 적합합니다. 빔 확장 망원경, 초점 조정, 시준 렌즈 등을 예로 들 수 있습니다. 실제로 비구면 모양의 단일 요소 포커싱 렌즈는 본질적으로 회절 한계에 가까운 축상 성능을 제공할 수 있습니다(이론적으로 가능한 최고의 성능).
그러나 더 복잡한 다중 요소 렌즈 시스템이 반드시 필요한 경우가 적어도 두 가지 있습니다. 첫 번째는 낮은 f값 시스템입니다(f값 = 렌즈 시스템 초점 거리/조리개). 특히 f/3 미만에서는 대부분의 단일 요소 구면 렌즈의 성능이 회절 한계에서 크게 벗어납니다. 이 문제를 해결하기 위해 다중 요소 구면 포커싱 렌즈뿐만 아니라 비구면이 사용됩니다.
다중 요소 시스템의 두 번째 응용 분야는 순수하게 축상으로 작동하지 않고 특정 시야를 커버해야 하는 분야입니다. F-theta 스캔 렌즈를 예로 들 수 있습니다. 다양한 각도에서 (곡면이 아닌) 평면에 초점을 맞추면서 시야의 가장자리에서 효과적으로 포커싱된 작은 스폿 크기를 달성하는 광학 요소를 만들려면 여러 요소가 필요합니다.
거울
실리콘, 구리, 알루미늄 및 금으로 코팅된 금속 코팅 거울은 가시광선 및 적외선 레이저 빔을 반사시킬 때 자주 사용됩니다. 출력이 약 10µm인 CO₂레이저의 경우, 금속 기판으로 거울을 만들고 매끄럽게 광택을 낸 금속 표면을 거울로 사용할 때가 많습니다. 금속 및 금속 코팅 거울의 장점은 일반적으로 비용이 저렴하다는 것입니다.
더 높은 수준의 반사율이 필요할 때, 더 높은 레이저 손상 임계값 수준을 달성하기 위해 또는 정밀한 편광 제어가 필요할 때 박막 코팅이 사용됩니다. 가장 단순한 레이저 라인 박막 필름 반사경은 일반적으로 고굴절률 재료와 저굴절률 재료가 교대로 쌓인 스택으로, 각 재료의 두께는 레이저 파장에서 1/4파장입니다. 이런 유형의 다층 구조를 구축하면 일반적으로 99.9% 이상의 반사율 값이 달성됩니다.
그러나 이러한 유형의 코팅이 적용된 거울은 상대적으로 협대역입니다. 즉, 설계된 정확한 레이저 파장 이외의 파장에서는 사용할 수 없습니다. 또한 모든 박막 필름 거울 코팅의 최대 반사율은 각도에 따라 이동합니다. 따라서 0° 입사각에서 사용하도록 설계된 레이저 라인 거울은 45°에서는 사용할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 넓은 범위의 파장과 입사각에 걸쳐 사용할 수 있는 광대역 전유전체(박막 필름) 거울을 설계하는 것이 가능하기는 합니다. 그러나 이 경우에는 최대 반사율 값이 다소 저하됩니다.
빔 스플리터
빔 스플리터는 입사된 레이저 에너지의 일부를 반사하고 나머지는 전송하는 광학 장치입니다. 이 효과는 편광 의존성이 클 수 있습니다. 때로는 이 점이 단점이 되지만, 특히 직교 편광을 분리하거나 결합할 때 이 점이 활용되는 경우도 있습니다.
빔 스플리터는 파장에 따라 달라질 수도 있습니다. 이 경우 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 동축 레이저 빔을 분리할 때 사용할 수 있습니다. 이에 대한 예로 Nd:YAG 레이저의 기본 파장(1064nm)을 반사하고 두 번째 고조파(532nm)를 전송하는 이색성 빔 스플리터 가 있습니다.
빔 스플리터의 가장 일반적인 형태는 큐브형과 플레이트형입니다. 큐브형 빔 스플리터는 두 개의 직각 프리즘이 빗변에서 결합되어 큐브를 형성하는 식으로 구성됩니다. 빔 스플리터 코팅은 프리즘 중 하나의 빗변에 적용됩니다. 나머지 4개의 면은 일반적으로 반사 방지 코팅되어 있습니다.
큐브형과 플레이트형 빔 스플리터는 동일한 기능을 수행하지만 구조가 매우 다릅니다. 이로 인해 서로 다른 특성이 부여되어 다양한 응용 분야에서 장점과 단점이 발생합니다.
플레이트형 빔 스플리터는 평면 평행(또는 흔히 약간의 각도가 있는) 플레이트입니다. 빔 스플리터 코팅은 일반적으로 첫 번째 표면에 나타나고 두 번째 표면에는 반사 방지 코팅이 있습니다.
큐브형과 플레이트형 빔 스플리터는 모두 고유한 특성을 갖고 있어 다양한 응용 분야에서 장점과 단점이 있습니다. 예를 들어, 플레이트형 빔 스플리터는 일반적으로 더 작고 가벼우며 생산 비용도 저렴합니다. 그러나 0° 입사각 이외의 다른 각도에서 사용하면 주 반사 빔에서 이격되는 원치 않는 2차 반사가 생성됩니다. 또한 전송된 빔이 이격되므로 시스템 설계가 복잡해지고 정렬이 어려워질 수 있습니다.
큐브형 빔 스플리터는 원치 않는 2차 반사 문제와 전송된 빔의 이격 문제를 제거합니다. 또한 일반적으로 넓은 범위의 입사각에서 더 잘 작동합니다. 또한 편광에 덜 민감하고 넓은 범위의 파장에 걸쳐 기능하는 코팅을 사용하여 큐브형 빔 스필리터를 생산하는 것이 더 쉽습니다. 그러나 큐브형 빔 스플리터는 내구성이 떨어지고 온도 변화에 더 민감할 수 있습니다.
편광 구성품
대부분의 레이저는 편광을 방출하는데, 이 편광을 조작, 분석 또는 활용하도록 설계된 다양한 광학 장치와 장비가 있습니다. 개념적으로 가장 간단한 광학 장치는 선형 편광판입니다. 특정 방향으로 편광된 빛은 통과시키고 다른 방향으로 편광된 빛은 차단합니다. 선형 편광판은 다양한 기능을 수행할 수 있습니다. 선형 편광판을 편광 레이저 빔 안에서 회전시키면 가변 감쇠기(레이저용 조광기 스위치) 역할을 합니다.
레이저 빔의 편광 상태를 변경하는 가장 기본적인 광학 장치 중 하나는 1/4 파장판입니다. 이 파장판은 선형 편광을 원형 편광으로 변환하거나 그 반대로 변환합니다. 반파장판은 입력된 선형 편광의 편광 방향을 회전시킵니다. 반파장판 자체가 물리적으로 회전하기 때문에 0°에서 90°까지 부드럽게 회전각을 변화시킬 수 있습니다.
편광 회전자와 선형 편광기(또는 편광 빔 분할기)를 결합하여 패러데이 절연체를 만들 수 있습니다. 이것은 빛을 위한 "일방향 밸브"입니다. 반사된 빛이 레이저에 다시 들어가면 손상이 발생하거나 작동이 불안정해질 수 있는데, 이 현상을 방지하는데 유용한 장치입니다. 패러데이 절연체는 일반적으로 고출력 산업용 레이저 시스템에서 이 기능을 수행합니다.
패러데이 절연체는 편광 빔 스플리터와 자기 활성 수정(빛의 편광 평면을 45° 회전시키는 역할)의 조합을 사용하여 레이저 빔을 한 방향으로만 통과시키는 장비를 완성합니다.
보다 정교한 편광 기반 레이저 광학 장치는 전자 광학 변조기(EOM)입니다. 패러데이 절연체와 마찬가지로 투과된 빛의 편광면을 회전시키는 결정을 사용합니다. 그러나 이 경우 효과는 자기장보다는 인가된 전기장에 의해 제어됩니다. 이것을 포켈스 효과라고 합니다.
강도 변조기를 만들기 위해 전광 결정은 선형 편광판과 쌍을 이룹니다. 입력된 레이저 빔의 편광면이 선형 편광판과 일치하면 빔이 투과됩니다. 적용된 전압을 조정하여 수정이 빔의 편광을 선형 편광판에 대해 90° 회전시키면 빔이 차단됩니다. 전압을 변경하면 투과된 레이저 빔의 강도를 일반적으로 최대 몇 MHz의 속도로 변조할 수 있습니다.
고에너지 레이저(HEL) 광학 장치
고에너지 레이저 광학 장치에 대한 구체적인 정의는 없지만, 본질적으로 이 구성품은 피크 에너지 또는 플루언스 값이 높은 레이저와 함께 사용됩니다. 특히 이는 전통적인 방법을 사용하여 생산된 대부분의 광학 장치를 손상시키거나 최소한 유효 수명을 크게 단축시키는 전력 수준을 의미합니다.
레이저로 인한 손상 메커니즘은 다양하며 레이저 파장, 펄스 에너지, 피크 전력, 펄스 모양 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 그러나 대부분의 손상은 벌크 흡수로 인한 가열, 레이저 펄스의 높은 전기장으로 인한 유전 파괴 또는 다광자 흡수로 인한 사태항복을 통해 발생하는 경향이 있습니다.
고에너지 레이저 광학 장치의 기능은 이미 설명한 것과 동일합니다(렌즈, 거울, 편광판 등). 그러나 작동 중 다양한 손상 메커니즘을 최소화하려면 이러한 구성 요소의 재료, 연마 및 코팅을 매우 신중하게 제어해야 합니다.
이는 흔히 재료 선택으로 시작됩니다. 즉, 본질적으로 높은 레이저 유발 손상 임계값(LIDT)과 작동 파장에서 낮은 흡수를 나타내는 기판 재료를 선택합니다. 물론 재료 자체의 순도와 품질이 높아야 합니다. 그 다음에는 전체 후속 처리 단계(성형, 코팅, 나아가 패키징까지도 포함)를 주의 깊게 모니터링하고 제어하여 오염을 최소화해야 합니다. HEL 광학은 일반적으로 클린룸 환경에서 제작됩니다.
표면 거칠기는 흔히 LIDT에서 중요한 역할을 하므로 HEL 제조에서는 특수 연마 기술이 자주 사용됩니다. 오염과 그에 따른 손상을 최소화하기 위해 특수 연마제를 선택할 수도 있습니다.
HEL 광학 장치용 박막 필름 코팅을 생산하는 것은 그 자체로 하나의 별개 분야입니다. 다시 말하자면, 사용되는 재료와 그 순도가 매우 중요합니다. 또한, 열전도율과 방열을 향상시키기 위해 코팅 설계를 특수하게 최적화할 수 있습니다. 고에너지 수준에서 더욱 두드러지는 고조파 생성이나 셀프 포커싱과 같은 비선형 광학 효과를 억제하도록 코팅을 설계할 수도 있습니다.
Ultrafast Optics
초고속 레이저(펨토초 또는 피코초 범위의 펄스 지속 시간)용 광학 장치 및 코팅은 또 다른 독특한 구성품 클래스입니다. 그 이유는 주로 두 가지입니다.
첫째, 초고속 레이저는 대부분의 다른 레이저와 달리 단색이 주가 되지 않습니다. 초고속 레이저의 기본 물리적 원리에 따라 펄스 폭이 짧아질수록 출력의 스펙트럼 대역폭(파장 범위)이 증가하기 때문입니다. 예를 들어, Coherent Vitara 레이저에 의해 생성된 12fs 펄스는 800nm에 중심이 있지만 대역폭은 약 100nm입니다.
초고속 레이저 광학 장치의 두 번째 차별화 요소는 피크 출력이 매우 높은 경우가 많다는 것입니다. 이러한 전력 수준은 앞서 언급한 레이저로 인한 손상 문제를 일으킬 수 있습니다.
초고속 레이저 펄스의 넓은 대역폭으로 인해 발생하는 주요 문제는 가시광선이 사용되는 이미징 광학 장치에서 발생할 수 있는 색 수차가 아닙니다. 문제는 군속도 분산(GVD)입니다.
GVD는 초고속 레이저 펄스의 다양한 파장 구성 요소가 재료를 통해 약간 다른 속도로 이동하기 때문에 발생합니다. 따라서 초고속 레이저 펄스가 광학 장치나 코팅을 통과할 때는 짧은 파장이 긴 파장보다 조금 늦게 나옵니다. 이 때문에 펄스 길이가 늘어납니다.
초고속 레이저 펄스는 단색이 아니라 다양한 파장으로 구성됩니다. 펄스가 짧을수록 이 스펙트럼 확산은 더 넓어집니다. 초고속 레이저 펄스가 물질을 통과할 때 분산으로 인해 짧은 파장이 긴 파장보다 느리게 이동하게 됩니다. 이 때문에 펄스가 시간에 따라 확산되어 펄스 폭이 증가합니다. 펄스 압축용 거울은 빠른 파장이 코팅 안으로 더 멀리 이동하도록 하여 이 효과를 반전시킵니다.
펄스 길이의 증가는 용도에 따라 여러 가지 문제를 야기합니다. 우선 시분해 분광학과 같은 응용 분야에서 시간 해상도를 떨어뜨립니다. 또한 다광자 이미징이나 CARS 분광학과 같은 비선형 현상에 의존하는 모든 응용 분야에 영향을 미치는 펄스 피크 전력을 줄입니다.
초고속 광학 장치의 중요한 클래스 중 하나는 '분산 거울'입니다. 이 거울은 초고속 레이저 펄스의 분산 효과를 관리하도록 특별히 설계된 박막 필름 코팅 고반사경입니다.
이 광학 장치의 작동 원리는 개념적으로 간단합니다. 기본적으로 이러한 광학 장치는 각각 약간 다른 파장으로 조정된 여러 개의 고반사 코팅 스택으로 구성됩니다.
이제 파장이 짧은 반사경이 코팅 상단에 있고 파장이 긴 반사경이 스택의 더 깊은 곳에 배치되는 설계를 생각해봅시다. 긴 파장은 반사되기 전에 코팅을 통해 더 멀리 이동해야 하므로 더 많은 시간이 걸리고, 따라서 펄스 중 '더 늦게 도착하는' 구성 요소가 이를 따라잡을 수 있습니다. 이는 이전에 다른 분산 구성 요소를 통과했기 때문에 확산된 펄스를 다시 압축하는 효과가 있습니다.
분산 거울은 의도적으로 펄스를 늘리기 위해 자주 사용됩니다. 예를 들어 펄스는 증폭기에 들어가기 전에 분산 거울을 사용하여 늘릴 수 있습니다. 그러면 피크 출력이 낮아지고 높은 레이저 플루언스로 인해 증폭기 광학 장치가 손상될 가능성이 줄어듭니다. 펄스가 증폭된 후, 첫 번째 분산 거울과 효과가 반대인 다른 분산 거울을 사용하여 원래의 짧은 펄스 폭으로 다시 압축합니다. 이를 처프 펄스 증폭(CPA)이라고 합니다.
이 개요에서는 몇 가지 유형의 레이저 광학 장치의 작동 방식과 사용 이유에 대한 간략하게 살펴보았습니다. 광범위한 Coherent 레이저 광학 제품을 탐색하여 자세히 알아보십시오.