Axicons에 대해 자세히 알아보기

Axicon이란?

Axicon은 원뿔 형태의 프리즘으로 alpha (α)와 apex angle로 정의됩니다. 광축을 따라 광원의 초점이 맞춰지는 수렴 렌즈(예: plano-convex (PCX), double-convex (DCX), 또는 aspheric lens)들과 다르게 Axicon 렌즈는 광축을 따라 다양한 점(point)으로 구성되는 라인 형태로 초점을 맺도록 설계되었습니다 (그림 1). 따라서, Axicon으로부터 생성되는 빔은 광축을 교차하면서 먼 거리에서 직경이 증가하는 링 형태를 만들게 되며, 반면에 링의 두께는 일정하게 유지합니다. 이와 같은 빔은 동일한 파워를 가진 링으로 구성되는 빔인 Bessel beam의 특성과 유사한 특징을 보입니다.

그림 1: Axicon으로 빛의 초점 맞추기

Bessel Beam과 유사한 Axion의 특징들

멀리 떨어진 곳에서 품질이 저하되는 Gaussian beam과 달리, Bessel beam은 비회절성으로서 전파 과정에서 횡단선상을 따라 변치 않는 분배를 유지합니다. 다만, 실제 Bessel beam이 무한대의 에너지양을 생성해야 하지만, Axicon은 심도(DOF) 내에서 비회절 속성에 아주 가까운 근사치를 만들어냅니다. DOF는 Axicon ®에 입사하는 빔의 반지름 (R), Axicon의 굴절률 (n), 그리고 alpha angle (α)과 상관관계에 있습니다:

(1)

기술한 바와 같이, 링의 두께 (t)는 일정하게 유지되어 쉽게 구할 수가 있습니다. 이러한 t의 값은 초기 빔의 반지름 혹은 초기 빔 지름의 절반에 해당하는 값 (d_b)과 동일합니다:

(2)

링의 지름은 거리에 비례하기 때문에 렌즈의 출력부터 이미지까지의 거리(L)가 늘어나면 링의 지름(d_r) 또한 증가하고 이와 반대로 줄어들면 지름 역시 감소합니다. 공식 3에서는 수학적으로 이를 설명하며, 링의 지름은 길이, 광학 제품 굴절률의 tangent (n), 그리고 alpha angel (α)에 2배라는 상관관계를 알 수 있습니다.

(3)

그림 2 - 3에서는 Axicon을 이용해 녹색 레이저광의 초점을 맞추는 실제 이미지를 보여줍니다. 각각의 그림은 거리에 비례하는 지름과, 이에 반해 링의 두께는 일정하게 유지하는 Axicon의 능력을 설명합니다. 그림 2는 Axicon이 L = 228.6mm에 위치하고, 그림 3에서는 L = 355.6mm에 위치합니다. 이 이미지들은 빔의 지름이 4mm인 레이저, alpha angle이 20°인 Axicon을 이용해 촬영되었습니다. 두 그림에서 링의 두께는 2mm로 일정하며, 반면에 Axicon 출력에서부터 이미지의 거리가 L = 228.6mm에서 L = 355.6mm로 늘어나면서, 지름 또한 대략 73.66mm에서 114.3mm로 증가하였습니다.

그림 2: L = 228.6mm에서 Axicon을 이용한 녹색 레이저광

그림 3: L = 355.6mm에서 Axicon을 이용한 녹색 레이저광

Axicon의 용도

Axicon의 독특한 특성은 의학 분야와 다양한 연구에 사용됩니다. 예를 들어, Axicon은 각막 조직 제거를 통해 눈의 굴절 상태를 교정하는 외과적 시력 교정술과 같은 레이저 각막 수술법 향상에 도움을 줄 수 있습니다. Axicon은 각막 조직을 완만하게 만들고 연소하는 능력을 높일 수 있는 링 형태로 레이저 빔의 초점을 맞추는 능력을 가지고 있습니다. Negative 및 positive Axicon을 사용하여 두 Axicon 사이의 거리를 조절하면서, 환자와 의사의 요건에 맞는 링의 지름을 조절할 수 있습니다.

이외에도 Axicon은 극미립자와 셀을 조정하기 위해 척력과 인력을 생성하는 레이저를 사용하거나 optical trapping을 하는 데 이점을 줍니다. Axicon이 생성하는 링은 훨씬 더 어두운 빔의 내부에서 미립자를 빨아들이는 repulsive wall과 같은 역할을 하기 때문에 고립된 미립자와 정밀 상호작용하는 데 적합합니다.

Axicon과 광학 부품 함께 이용하기

Bessel beam과 유사한 빔을 만들기 위해서는 Axicon을 레이저와 반드시 함께 정렬해야 레이저 빔이 Axicon의 광축을 따라 이동할 수 있습니다. 이를 위한 정렬을 위해서는 laser, beam expander, optical lens mount, post & post holder를 포함한 다양한 광학 부품을 사용해야지만 정밀성이 확보됩니다. 예를 들어, beam expander는 입사 레이저광을 시준하고 분산을 감소시켜 Axicon이 정밀한 링 형태의 빔을 생성하게 하며, optical lens mount는 Axicon을 원위치에 단단히 고정시키고 미크론 혹은 초미세 단위의 정렬을 위한 자유도(degrees of freedom)를 추가로 제공해줍니다.

광축을 따라 광원을 라인 형태로 초점을 맞추면, Axicon은 유사 Bessel beam을 생성합니다. Axicon과 이미지의 거리에 비례하여 링의 지름이 줄어들거나 늘어나더라도, 링의 두께는 똑같이 유지됩니다. Axicon은 링 형태의 레이저 출력이 요구되는 측정, 정렬, 연구 및 의학 용도에 적합합니다.

참고 문헌

1. Haw, Weldon W., MD, and Edward E. Manche, MD. "Prospective Study of Photorefractive Keratectomy for Hyperopia Using an Axicon Lens and Erodible Mask." Journal of Refractive Surgery 16, no. 6 (November 1, 2000): 724-30.
2. Mallik, Proteep. "The Axicon." Lecture, December 7, 2005. Accessed November 15, 2010.