고반사성 코팅

본 내용은 레이저 옵틱스 리소스 가이드의 단원 4.4에 해당합니다.

고반사성 (HR) 코팅은 레이저 및 기타 광원은 반사시키고 손실은 최소화할 때 사용됩니다. 반사 중에 흡수 및 산란이 일어나면 출력량이 감소하고 잠재적으로 레이저 유도 손상이 일어날 수 있습니다. 고반사성 코팅은 45도 반사 또는 Laser cavity end mirror와 같이 일반적인 레이저 광학 용도에 사용됩니다.

금속 미러 코팅은 다수의 어플리케이션에 적합한 반사형 부품을 제작할 때 사용되지만 레이저 용도에서는 표준 금속 미러 코팅이 제공하는 반사율보다 더 높은 반사율을 요구하는 경향이 있습니다. 이러한 이유로 레이저 미러에는 금속 미러 코팅보다 더 높은 반사율을 달성할 수 있는 멀티레이어 구조의 유전체 고반사성 코팅이 주로 사용됩니다. 금속 표면이 빛을 반사하는 이유는 느슨하게 부착된 전자가 임피던스나 방해 요인이 없는 상태에서 입사 광파와 함께 자유롭게 진동하기 때문입니다. 다만 모든 금속은 어느 정도의 입사광을 흡수하는 성질이 있습니다. 따라서 고출력 레이저를 사용할 때 금속 미러에 손상이 발생합니다.¹

유전체 고반사성 코팅은 프레넬 반사가 일어나는 동안 보강 간섭을 기반으로 빛을 반사시키며 프레넬 반사를 최소화하기 위해 상쇄 간섭을 이용하는 대신 프레넬 반사를 최대화하기 위해 보강 간섭을 이용한다는 점에서 무반사 코팅의 사용 목적과 정반대라고 할 수 있습니다(그림 1). 보강 간섭은 특정 파장 범위에서 반사율을 극대화하기 위해 특별히 선정된 두께에 따라 고굴절률과 저굴절률 소재를 번갈아가며 증착하는 과정에서 발생합니다. Bragg mirror로도 알려진 λ/4 dielectric mirror는 코팅 레이어의 두께가 설계 파장의 1/4에 해당합니다. 레이어의 두께는 진공 파장이 아닌 소재의 파장을 바탕으로 결정됩니다.²

그림 1: 유전체 고반사성 코팅은 금속 반사체보다 더 높은 반사율을 얻기 위해 프레넬 반사의 보강 간섭을 이용함

유전체 오버코팅은 금속 미러의 취급을 개선하고 코팅의 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 산화를 방지하면서 특정 스펙트럼 영역에서 금속 코팅의 반사성 또한 강화합니다. 금속 코팅에 보호 코팅을 입히지 않으면 쉽게 손상을 입기 때문에 취급 및 세척 시 각별한 주의가 요구됩니다. 보호 코팅 처리가 되지 않은 금속 코팅의 표면은 오염되지 않은 건조한 공기 외에 그 어떤 것으로도 취급 및 세척을 해서는 안됩니다. 유전체 코팅이 처리된 금속 미러를 세척할 시에는 이소프로필 알코올이나 아세톤을 사용해야 합니다. 표 1에서는 EO의 표준 금속 미러 코팅 옵션을, 표 2에서는 표준 유전체 고반사성 레이저 코팅을 확인할 수 있습니다.

표 1: EO의 표준 금속 미러 코팅과 반사율 스펙

Standard HR Laser Coatings
DWL	Reflectivity Specifications	LIDT, Pulsed $ \left( \frac{\text{J}}{\text{cm}^2} \right)$	LIDT, CW $ \left( \frac{\text{MW}}{\text{cm}^2} \right) $
266nm	R_abs >99.5% @ DWL, R_avg >99.5% 263 - 268nm	2.5, 20ns @20Hz	1
343nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 339 - 346nm	6, 20ns @20Hz	1
355nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 351 - 358nm	6, 20ns @20Hz	1
515nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 509 - 520nm	15, 20ns @20Hz	1
532nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 523 - 537nm	15, 20ns @20Hz	1
1030nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% 1020 - 1040nm	20, 20ns, @20Hz	1
1064nm	R_abs >99.8% @ DWL, R_avg >99.5% - 1074nm	20, 20ns @20Hz	1

표 2: EO의 표준 유전체 고반사성 레이저 코팅의 반사율 스펙과 보장된 레이저 유도 손상 임계치(LIDT). 기타 파장의 경우 요청에 따라 맞춤 코팅 설계 가능

참고 문헌

Field, Ella S., et al. “Repair of a Mirror Coating on a Large Optic for High Laser-Damage Applications Using Ion Milling and over-Coating Methods.” Laser-Induced Damage in Optical Materials: 2014, July 2016, doi:10.1117/12.2067920.
Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html

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