웨이브플레이트 이해하기

용어 | 공정 | 적합한 웨이브플레이트 | 어플리케이션

리타더(retarder)라고도 하는 웨이브플레이트는 빔의 감쇠, 경로 이탈, 위치 변경 없이 빛을 투과하고 편광 상태를 수정합니다. 이는 편광의 한 구성 요소와 직교하는 다른 구성 요소를 상대적으로 지연시킴으로써 구현됩니다. 비편광 빛의 경우, 웨이브플레이트는 윈도우와 동일한 역할을 합니다. 웨이브플레이트와 윈도우 모두 평평한 광학 부품으로 빛을 투과시킵니다. 웨이브플레이트를 이해하는 것은 웨이브플레이트가 편광 빛과 관련이 있기 때문에 좀 더 복잡합니다. 프로세스를 간소화하려면 주요 용어와 사양, 공정, 대표적인 타입, 어플리케이션 예제를 숙지해야 합니다.

웨이브플레이트 관련 용어와 사양

Birefringence(복굴절) - 웨이브플레이트는 복굴절 소재로 만들어지며, 석영이 가장 널리 사용됩니다. 복굴절 소재는 다른 방향으로 편광된 빛에 따라 굴절률이 조금씩 다릅니다. 웨이브플레이트는 아래와 같이 비편광 입사광을 평행 및 직교하는 구성 요소로 분리합니다(그림 1).

그림 1: 비편광 빛을 분리하는 복굴절 칼사이트 크리스털

Fast Axis(빠른 축상)와 Slow Axis(느린 축상) - fast axis를 따라 편광된 빛은 slow axis를 따라 편광된 빛보다 낮은 굴절률을 가지며 웨이브플레이트를 더 빨리 통과합니다. fast axis는 마운트되지 않은 웨이브플레이트의 fast axis 지름에 작고 평평한 점으로 표시되거나 마운트된 웨이브플레이트의 셀 마운트에 표시되어 있습니다.

그림 2: 셀 마운트에 흰색 표시선이 있는 에드몬드옵틱스의 Precision Zero Order Waveplate (Retarder)

Retardation(위상차) - retardation이란 fast axis를 따라 투사되는 편광 요소와 slow axis를 따라 투사되는 편광 요소 간의 위상 변이(phase shift)를 의미합니다. retardation의 단위는 degree, wave, nanometer입니다. retardation의 1 full wave는 360° 또는 관심 파장에서의 나노미터 단위 길이에 해당합니다. retardation의 공차는 일반적으로 degree, full wave의 분수/소수, nanometer로 표시됩니다. 대표적인 retardation 사양과 공차는 아래와 같습니다.

λ/4 ± λ/300
λ/2 ± 0.003λ
λ/2 ± 1°
430nm ± 2nm

일반적으로 가장 많이 찾는 retardation 값은 λ/4, λ/2, 1λ이지만 특정 어플리케이션에서는 다른 값도 유용할 수 있습니다. 예를 들어 프리즘으로부터 발생하는 내부 반사는 부품 사이의 위상 변이를 야기하며, 이러한 변이는 문제를 일으키기도 합니다. 단, 웨이브플레이트 보정을 통해 원하는 편광을 복원할 수 있습니다.

그림 3에는 기본 사인파를 포함한 4개의 retardation 값이 나와 있습니다. 주황색 파장은 1/4만큼, 노란색 파장은 1/2만큼, 보라색 파장은 3/4만큼, 파란색 파장은 1만큼의 retardation가 있습니다. λ/4 retardation은 사인파를 코사인파로 바꾸고, full wave retardation는 파장 자체를 지연시킵니다. 가장 널리 사용되는 웨이브플레이트는 쿼터 및 하프 웨이브플레이트인데, 추가적인 retardation 값을 얻기 위해 겹쳐서 사용할 수 있기 때문입니다. 

그림 3a: 전기장 파동의 retardation

Multiple Order(다중 차수) - 다중 차수 웨이브플레이트에서 전체 retardation은 원하는 retardation에 정수를 더한 값입니다. 초과 정수 부분은 성능에 아무런 영향을 주지 않으며, 이는 오늘 정오가 가리키는 시계가 한 주 뒤 정오를 가리키는 시계와 똑같이 보이는 것과 같은 원리입니다(시간이 경과되었을지라도 여전히 똑같이 보임).

다중 차수 웨이브플레이트는 단일 복굴절 소재로 설계되었지만, 취급 및 시스템 통합이 용이하도록 비교적 두껍게 제작될 수 있습니다. 하지만 다중 차수 웨이브플레이트의 두께가 두꺼워질수록 파장 변이와 주위의 온도 변화에 더 많은 영향을 받게 됩니다.

Zero Order(제로 오더) - 제로 오더 웨이브플레이트에서 전체 retardation은 원하는 retardation에 초과 부분을 제외한 값입니다. 예를 들어, Quartz Zero Order Waveplate는 웨이브플레이트 각각의 축이 교차된 두 개의 다중 차수 웨이브플레이트로 구성되어 둘 사이에 유효 retardation이라는 차이 값을 갖게 됩니다.

compound zero order waveplate로도 알려진 표준 제로 오더 웨이브플레이트는 같은 복굴절 소재의 다양한 웨이브플레이트로 구성되며, 다중 차수 웨이브플레이트는 광축에 수직으로 배치되어 있습니다. 여러 개의 웨이브플레이트를 레이어링하게 되면 각각의 웨이브플레이트에서 발생하는 retardation 변이의 균형을 잡아주고 파장 변이나 주위의 온도에 따른 retardation 안정성을 높여줍니다. 단, 표준 제로 오더 웨이브플레이트는 입사각이 변화하면서 발생하는 retardation 변이를 개선하지는 않습니다.

폴리머 웨이브플레이트 같은 트루 제로 오더 웨이브플레이트는 제로 오더에서 특정 수준의 retardation에 도달하기 위해서 수 마이크론 두께의 아주 얇은 플레이트로 가공된 단일 복굴절 소재로 구성됩니다. 플레이트가 얇아서 웨이브플레이트를 손으로 다루거나 마운팅하기 매우 어렵지만, 트루 제로 오더 웨이브플레이트는 파장 변이, 주위의 온도 변화, 그리고 입사각의 변화에 있어서 다른 웨이브플레이트보다 우수한 retardation 안정성을 제공합니다.

아크로매틱 – 아크로매틱 웨이브플레이트는 서로 다른 두 개의 소재로 제작되어 색 분산을 거의 제거합니다. 표준 아크로매틱 렌즈는 두 가지 글래스 타입으로 제작되는데, 이를 통해 색수차를 최소화하거나 제거함과 동시에 원하는 초점 거리를 얻을 수 있습니다. 아크로매틱 웨이브플레이트는 동일한 기본 원리에 따라 작동합니다. 예를 들어, 아크로매틱 웨이브플레이트는 석영과 플루오르화 마그네슘으로 제작되어 넓은 스펙트럼 대역에 걸쳐 거의 일정한 retardation을 제공합니다.

슈퍼 아크로매틱 – 슈퍼 아크로매틱 웨이브플레이트는 훨씬 더 넓은 파장 대역에서 색 분산을 제거하는 데 사용되는 특수한 아크로매틱 웨이브플레이트 타입입니다. 많은 슈퍼 아크로매틱 웨이브플레이트는 VIS-NIR 스펙트럼을 사용하며, 일반적인 아크로매틱 웨이브플레이트와 거의 동일하거나 그보다 더 나은 균일도를 제공합니다. 일반적인 아크로매틱 웨이브플레이트는 정해진 두께의 석영과 플루오르화 마그네슘으로 제작되는 반면, 슈퍼 아크로매틱 웨이브플레이트는 석영과 플루오르화 마그네슘과 함께 사파이어 기판도 사용됩니다. 3가지 소재의 기판의 두께는 더 긴 파장 대역에서 색 분산을 제거하기 위해 전략적으로 결정됩니다.

공정 및 구조

공정

웨이브플레이트는 특히 제조하는 데 있어 도전적인 광학 부품입니다. 웨이브플레이트는 수 arcmin 이내로 웨이브플레이트의 축에 맞게 잘라야 하는 결정체로 만들어집니다. 그리고 레이저로 품질 높은 마감 처리를 하기 위해 arcsec로 평행하게, λ/10 웨이브프론트 이하로 연마되어야 합니다. 두께의 공차는 마이크론 정도로 아주 작기 때문에, 수정 및 보정을 위한 공간적 여유가 없습니다. retardation의 공차를 확인하기 위해서는 특수 교육을 받은 기술자들이 특수 제작된 테스트 기어를 사용합니다. 무반사(AR) 코팅 후에, 제로 오더 웨이브플레이트와 아크로매틱 웨이브플레이트는 짝을 이루어, 셀 마운트 안에 서로 정확하게 나열됩니다.

석영 웨이브플레이트는 레이저나 적외선 광원을 사용하는 경우처럼 온도 변화에 있어서 높은 레이저 손상 임계값(LDT)과 retardation 안정성을 요구하는 어플리케이션에 적합합니다.

폴리머 웨이브플레이트는 두 개의 글래스 플레이트 사이에 얇은 폴리머 시트가 여러 장 겹쳐져 구성됩니다. 또한, 석영 웨이브플레이트에 비해 탁월한 화각, 입사각에 대한 낮은 민감도 같은 다양한 이점을 제공합니다. 글래스 플레이트는 내구성이 좋고 다루기 쉬운 반면에 대부분의 폴리머 웨이브플레이트는 접착성 있는 층이 존재해 고출력 레이저나 고온에서 사용하기에는 바람직하지 않습니다.

구조

다중 차수 웨이브플레이트는 단일 플레이트로 구성되며, 비마운트 버전 아니면 모서리가 알루미늄 셀에 마운트되는 버전이 있습니다. Precision Zero Order Waveplate와 Achromatic Waveplate는 구성 방식에 있어서 두 가지 공통점이 있습니다. 첫 번째 방법은 두 개의 플레이트 사이에 공기층이 들어가고, 모든 면이 코팅되어 있으며, 스페이서의 반대편에 마운트되고 셀 안에 위치한다는 것입니다. 일반적인 빔 편차는 <0.5arcsec입니다. 공기층이 있는 웨이브플레이트를 사용할 때는 특히 펄스 레이저에 대한 출력 관리를 철저히 하는 것이 중요합니다. 두 번째 방법은 아크로매틱 렌즈를 전체 직경에 걸쳐 투명한 광 접착제 층으로 접합하는 것입니다. 그런 다음 외부 표면에만 무반사(AR) 코팅 처리를 합니다. 투과 파면은 633nm에서 <λ/4이고 빔 편차는 <1arcmin입니다.

적합한 웨이브플레이트 선택하기

다중 차수 웨이브플레이트

단일 석영 플레이트(일반적으로 두께가 0.5mm)로 구성된 다중 차수 웨이브플레이트는 세 가지 타입 중에 가장 저렴합니다. 다중 차수 웨이브플레이트의 retardation은 온도에 따라 변하며(그림 4), 보통 파장에 따라서도 변화합니다(그림 5). 이것은 기후가 제어되는 환경에서 흑백광을 사용하는 경우에 좋은 선택입니다. 이러한 플레이트는 실험실에서 보통 레이저와 함께 사용됩니다. 이에 반해 광물학 같은 어플리케이션은 다중 차수 웨이브플레이트의 고유한 색 변이(파장 변화에 따른 지연)를 활용합니다.

그림 4: 632.8nm 기준 7.25λ 다중 차수 웨이브플레이트의 지연 vs 온도

그림 5: 632.8nm 기준 7.25λ 다중 차수 웨이브플레이트의 지연 vs 파장

기존 수정 결정체 소재의 석영 웨이브플레이트의 대체품은 Polymer Retarder Film입니다. 이 필름은 다양한 크기와 지연 옵션이 제공되며, 결정체 소재의 웨이브플레이트보다 가격이 훨씬 저렴합니다. 필름 리타더는 어플리케이션과 관련하여 유연성 측면에서 석영보다 우수합니다. 얇은 고분자 설계 덕분에 필름을 원하는 모양과 크기로 쉽게 자를 수 있습니다. 이 필름은 LCD 및 광섬유를 사용하는 어플리케이션에 적합합니다. Polymer Retarder Film은 아크로매틱 버전도 있습니다. 하지만 이 버전은 레이저 손상 임계값(LDT)이 낮으므로 레이저와 같은 고출력 광원과 사용하면 안 됩니다. 또한, VIS 스펙트럼으로만 사용이 제한되므로 UV/NIR/IR 어플리케이션에서는 다른 제품이 필요합니다.

제로 오더 웨이브플레이트

제로 오더 웨이브플레이트의 전체 retardation은 다중 차수 타입 중에서도 얼마 안 되는 비율을 차지하기 때문에, 제로 오더 웨이브플레이트의 retardation은 온도(그림 6)와 파장 변화(그림 7)에 대하여 더 나은 안정성을 보입니다. 제로 오더 웨이브플레이트는 훨씬 우수한 안정성이나 큰 폭의 온도 변화가 요구되는 환경에서 사용하는 데 적합한 제품입니다. 어플리케이션 예시로는 넓은 스펙트럼을 관찰하거나 현장 전용 장비로 치수를 측정하는 것 등이 있습니다.

그림 6: 632.8nm 기준 λ/4 제로 오더 웨이브플레이트의 지연 vs 온도

그림 7: 632.8nm 기준 λ/4 제로 오더 웨이브플레이트의 지연 vs 파장

아크로매틱 웨이브플레이트

두 소재의 상쇄 작용 때문에 아크로매틱 웨이브플레이트는 제로 오더 웨이브플레이트보다 더 안정적입니다(그림 8). 여러 개의 스펙트럼 혹은 전체 파장 대역(예: Violet-Red 파장)을 커버해야 하는 경우, 아크로매틱 웨이브플레이트를 사용하는 것이 적합합니다.

그림 8: 610 – 850nm 아크로매틱 웨이브플레이트의 지연 vs 파장

프레넬 마름모 리타더(Fresnel Rhomb Retarder)

프레넬 마름모 리타더는 프리즘 구조 내에서 특정 각도의 내부 반사를 활용하여 편광 입사광의 지연을 일으킵니다. 일반적으로 빛이 반사될 때마다 P-편광 빛 성분이 λ/8만큼 증가합니다. 빛이 두 표면에서 반사되어 프리즘을 빠져나갈 때, 하나의 마름모 리타더를 통과하는 총 지연은 λ/4입니다. 또한 두 개의 마름모 리타더를 접합하여 λ/2 지연 버전을 얻을 수도 있습니다. 지연의 변화는 파장 대역에서 2% 이내입니다. 이 리타더는 다이오드 및 광섬유 어플리케이션에 사용하도록 최적화되어 있습니다. 프레넬 마름모 리타더는 내부 전반사를 기반으로 작동하므로 광대역 또는 아크로매틱 용도로 사용될 수 있습니다.

그림 9: λ/4 지연 프레넬 마름모 리타더(왼쪽)와 λ/2 지연 프레넬 마름모 리타더(오른쪽)

Crystalline Quartz Polarization Rotator

Crystalline Quartz Polarization Rotator는 로테이터와 빛의 편광 사이의 정렬에 관계없이 입사광의 편광을 회전시키는 단일 석영입니다. 이는 결정 구조와 관련된 석영의 광학 활성 때문입니다. 석영은 두 개의 거울상체를 가지고 있는데, 이는 SiO₄의 결정 격자가 서로의 미러 이미지인 두 가지 구조를 형성할 수 있음을 의미합니다. 결정의 구조에 따라 빛의 편광이 시계 방향으로 진행되는지 아니면 반시계 방향으로 진행되는지 결정됩니다. Crystalline Quartz Polarization Rotator는 편광면을 특정 각도로 회전시키기 때문에 하프 웨이브플레이트의 훌륭한 대안이 되며, 빛의 단일 성분만이 아니라 광축을 따라 빛의 전체 편광을 회전시키는 데 사용될 수 있습니다. 입사광의 전파 방향은 로테이터에 직각이어야 합니다.

웨이브플레이트와 리타더

어플리케이션 예시

선형 편광 회전

때때로 광학 시스템에 존재하는 편광을 바꾸기 위해 필요하기도 합니다. 예를 들어, 레이저는 일반적으로 수평으로 편광됩니다. 만약 시스템에서 레이저 빛을 금속 표면에 반사시켜야 할 경우, 미러는 수직으로 편광된 빛과 잘 반응하기 때문에 문제가 될 수 있습니다. 그렇다면 해결책은 무엇일까요? 축이 45°로 향해있는 λ/2 웨이브플레이트는 축을 수직 편광에 맞게 회전시키면 됩니다.

그림 10: λ/2 웨이브플레이트를 사용하여 선형 편광을 수직에서 수평으로 회전

다른 예시로 편광 축을 다른 방향으로 조절하길 원하는 경우가 있습니다. 입사된 편광으로부터 θ 각도로 웨이브플레이트의 축을 회전시키면 기존의 편광은 2θ로 회전됩니다. 웨이브플레이트는 매우 평행성을 띄기 때문에, λ/2 웨이브플레이트를 삽입하거나 회전시키는 것만으로도 재편성 없이 전체 광학 셋업을 변경할 수 있습니다.

선형 편광과 원형 편광 사이의 변형

선형 폴라라이저와 λ/4 웨이브플레이트를 서로 특정 방향에 위치시킴으로써 선형 편광된 빛은 원형 편광의 빛으로 변형될 수 있으며, 그 반대로도 가능합니다. 예를 들어, 선형 편광으로부터 45° 방향의 축의 λ/4 웨이브플레이트를 사용하면 원형 편광이 만들어집니다. 쉽게 방향을 가늠할 수 없는 원형 편광은 λ/4 웨이브플레이트를 통과하여 45° 방향의 축을 가진 선형 편광을 만들어냅니다. 또한, 선형으로 편광된 빛이 45° 외의 다른각으로 λ/4 웨이브플레이트에 입사되면, 타원형으로 편광이 만들어집니다.

그림 11: λ/4 웨이브플레이트를 사용하여 선형 편광을 원형화

선형 폴라라이저의 광학적 분리

선형 폴라라이저를 λ/4 웨이브플레이트와 함께 사용하면, 선형 폴라라이저에 의해 편광된 빛은 감쇠되지 않으면서 λ/4 웨이브플레이트를 통과 후 원형 편광으로만 바뀌는 광학적 고립 시스템이 됩니다. 만약 미러로부터 반사되면, 원형 편광된 빛은 다시 웨이브플레이트를 거쳐 90°로 회전된 채 선형 편광으로 돌아가게 됩니다(그림 13). 참고: λ/4가 두 번 지난 것은 λ/2가 한 번 지난 것과 같습니다. 새로운 방향을 가진 빛은 선형 폴라라이저에 의해 제거됩니다. 이러한 시스템은 더블 패스 기술로 피드백을 제거하는 경우에 사용합니다.

그림 12: 쿼터 웨이브플레이트를 사용하는 광 아이솔레이터 구조

빔스플리터와의 광학적 분리: 효율적인 Routing

편광 빔스플리터는 그림 13의 예제처럼 광학적 분리 용도에서 선형 폴라라이저를 대체할 수 있습니다. 이 편광 빔스플리터로 되돌아온 빛은 감쇠 없이 대체된 경로로 다시 향하게 됩니다(그림 14). 대조적으로, 비편광 빔스플리터를 두 번 지나면 이론적으로 최대 25%만 원하는 방향으로 되돌아가고 25%는 다른 방향으로 가게 됩니다.

그림 13: 광학적 분리를 설명하는 편광 빔스플리터와 λ/4 웨이브플레이트 시스템

웨이브플레이트는 빛의 편광 상태를 제어하고 분석하는 데 적합하며, 주로 3가지 타입(제로 오더, 다중 차수, 아크로매틱)으로 제공됩니다. 각 타입은 용도에 따라서 특별한 장점을 가지고 있습니다. 광학 시스템이 단순하든, 복잡하든 주요 용어와 공정 방법을 정확히 이해한다면 올바른 웨이브플레이트 선택에 큰 도움이 됩니다.