Waveplate 이해하기

용어 | 공정 | Right Waveplate | 용도

Retarder로도 알려져있는 Waveplate는 beam의 감쇠, 경로 이탈 또는 위치변경을 유발하지 않으면서 빛을 전달하고 polarization 상태를 수정합니다. Polarization의 한 구성 요소를 직교하는 다른 요소로 상대적으로 지연시킴으로써 이를 실현합니다. 편광되지 않은 빛의 경우, waveplate는 윈도우와 같은 역할을 합니다. 이 제품들은 둘 다 평평한 광학 부품으로서 빛을 투과시킵니다. waveplate를 이해하는 것은 waveplate가 편광된 빛과 관련이 있기 때문에 좀 더 복잡합니다. 과정을 간단하게 하기 위해서 주요 용어와 사양, 공정, 일반적인 종류, 용도들에 대한 예시를 주의 깊게 숙지해야 합니다.

WAVEPLATE 용어와 사양

복굴절(Birefringence) - Waveplate는 복굴절 소재로 제작되며 crystal quartz가 가장 널리 사용됩니다. 복굴절 소재는 서로 다른 방향으로 편광된 빛에 대해 약간 다른 굴절률을 갖습니다. 이로 인해 편광되지 않은 입사광을 평행 및 직교하는 성분으로 분리합니다(그림 1).

그림 1: 편광되지 않은 빛을 분리하는 Birefringence Calcite Crystal

Fast Axis와 Slow Axis - fast axis를 따라 편광된 빛은 slow axis를 따라 편광된 빛보다 낮은 굴절률을 가지며 waveplate를 더 빨리 통과합니다. fast axis는 마운트 되지 않은 waveplate의 fast axis 지름에 작고 평평한 점으로 표시돼있거나, 마운트된 waveplate의 cell mount에 표시돼있습니다.

Retardation(위상차) – Retardation이란 fast axis를 따라 투사되는 편광 요소와 slow axis를 따라 투사되는 편광요소 간의 위상 변이(phase shift)를 의미합니다. Retardation은 degree, wave 또는 nanometer 단위로 표시됩니다. Retardation의 1 full wave는 360° 또는 관심 파장에서의 나노미터 단위 길이에 해당됩니다. Retardation의 허용 오차는 일반적으로 degree, full wave의 일반 분수 또는 소수, nanometer로 나타냅니다. 일반적인 retardation 사양과 허용 오차에 대한 예시:
λ/4 ± λ/300
λ/2 ± 0.003λ
λ/2 ± 1°
430nm ± 2nm

일반적으로 가장 많이 찾는 retardation 값은 λ/4, λ/2와 1λ이지만 다른 값들도 특정한 용도에서 유용할 수 있습니다. 예를 들어 프리즘으로부터 발생하는 내부 반사는 부품 사이의 위상 변위를 야기하며, 이러한 변위는 문제를 일으키기도 합니다. 단, waveplate 보정을 통해 원하는 편광을 복원할 수 있습니다.

Multiple Order – multiple order waveplate에서 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 - 비록 시간이 경과되었을지라도 여전히 똑같이 보이는 것입니다.

multiple order waveplate는 단일 복굴절 소재로 설계되었지만, 취급 및 시스템을 통합이 용이하도록 비교적 두껍게 제작될 수 있습니다. 하지만 multiple order waveplate의 두께가 두꺼워질수록 파장 변이와 주위의 온도 변화에 더 많은 영향을 받게 됩니다.

Zero Order – zero order waveplate에서 전체 retardation은 원하는 retardation에 초과 부분을 제외한 값입니다. 예를 들어, Quartz Zero Order Waveplate는 waveplate 각각의 축이 교차된 두 개의 multiple order quartz waveplate로 구성되어 둘 사이에 유효 retardation이라는 차이 값을 갖게 됩니다.

Compound zero order waveplate로도 알려진 표준 zero order waveplate는 같은 복굴절 소재의 다양한 waveplate로 구성되며, multiple waveplate는 광축에 수직으로 배치돼있습니다. 여러 개의 waveplate를 layering하게 되면 각각의 waveplate에서 발생하는 retardation shift의 균형을 잡아주고 파장 변위나 주위의 온도에 따른 retardation 안정성을 높여줍니다. 단, 표준 zero order waveplate는 입사각이 변화하면서 발생하는 retardation shift를 개선하지는 않습니다.

Polymer waveplate같은 true zero order waveplate는 zero order에서 특정한 수준의 retardation에 도달하기 위해서 수 마이크론 두께의 아주 얇은 plate로 가공된 단일 복굴절 소재로 구성됩니다. plate가 얇아서 waveplate를 손으로 다루거나 마운팅하기 매우 어렵지만, true zero order waveplate는 파장대의 이동, 주위의 온도 변화, 그리고 입사각의 변화에 있어서 다른 waveplate들 보다 최고의 retardation 안정성을 제공합니다.

Achromatic – Achromatic waveplate는 서로 다른 두 개의 소재로 제작되어 chromatic dispersion을 거의 제거해줍니다. 표준 achromatic lens는 두 가지 유형의 glass로 제작되는데, 이를 통해 색 수차를 최소화하거나 제거함과 동시에 원하는 초점 거리를 얻을 수 있습니다. Achromatic Waveplate는 동일한 기본 원리에 따라 작동합니다. 예를 들어, Achromatic wavaplate는 cystal quartz와 magnesium fluoride로 제작되어 넓은 스펙드럼 대역에 걸쳐 거의 일정한 retardation을 제공합니다.

공정 및 구조

공정

Waveplate는 특히 제조하는 데 있어 도전적인 광학 부품입니다. Waveplate는 수 arcminutes 이내로 waveplate의 축에 맞게 잘라야 하는 결정체로 만들어집니다. 그리고 레이저로 품질 높은 마감 처리를 하기 위해 arcsecond로 평행하게, λ/10 웨이브프런트 이하로 연마되어야 합니다. 두께의 허용 오차는 마이크론 정도로 아주 작기 때문에, 수정 및 보정을 위한 공간적 여유가 없습니다. Retardation의 오차를 확인하기 위해서는 특수 교육을 받은 기술자들이 특별 제작된 테스트 기어를 사용합니다. AR 코팅 후에, zero order와 achromatic waveplate는 짝(pairing)을 이루어, cell 마운트 안에 서로 정확하게 나열됩니다.

Quartz waveplate는 레이저나 적외선 광원을 사용하는 경우와 같은 온도의 변화에 있어서 높은 damage threshold와 retardation 안정성을 요구하는 용도에 적합합니다.

Polymer waveplate는 두 개의 유리 plate 사이에 얇은 polymer 시트가 여러 장 겹쳐져 구성됩니다. 또한, quartz waveplate에 비해 탁월한 angular FOV와 입사각에 대한 낮은 민감도 같은 다양한 이점을 제공합니다. Glass plate는 내구성이 좋고 다루기 쉬운 반면에 대부분의 polymer waveplate는 접착성 있는 층이 존재해 고출력 레이저나 고온에서 사용하기에는 바람직하지 않습니다.

구조

Multiple order waveplate는 단일 plate로 구성되며, 마운트되지 않거나 알루미늄 cell로 모서리 쪽이 마운트됩니다. Precision Zero Order Waveplate와 Achromatic Waveplate에는 구성 방식에 있어서 두 가지 공통점이 있습니다. 첫 번째 방법은 두 개의 plate 사이에 공기층을 사용하고, 모든 면이 코팅돼있으며, 스페이서의 반대편에 마운트되고 cell 안에 위치한다는 것입니다. 일반적인 beam의 편차는

올바른 WAVEPLATE 선택하기

Multiple Order Waveplates

단일 crystal quartz plate로 구성된 (일반적으로 두께가 0.5mm) multiple order waveplate는 세 가지 타입 중에 가장 저렴합니다. multiple order waveplate의 retardation은 온도에 따라 변하며(그림 2), 주로 파장에 따라서도 변화합니다(그림 3). 이것은 기후가 제어되는 환경에서 단색광을 사용하는 경우에 좋은 선택입니다. 이러한 plate는 실험실에서 보통 laser와 짝지어 사용됩니다. 그에 반해서 광물학 같은 용도는 multiple order waveplate의 고유한 chromatic shift(파장의 변화에 따른 retardance)를 활용합니다.

그림 2: Retardance vs. 온도 (632.8nm에서 7.25λ Multiple Order Waveplate)

그림 3: Retardance vs. 파장 (632.8nm에서 7.25λ Multiple Order Waveplate)

Zero Order Waveplates

Zero Order Waveplate의 전체 retardation은 multiple order 타입 중에서도 얼마 안 되는 비율을 차지하기 때문에, zero order waveplate의 retardation은 온도(그림 4)와 파장의 변화(그림 5)에 대하여 더 나은 안정성을 보입니다. zero order waveplate는 훨씬 우수한 안정성이나 큰 폭의 온도 변화가 요구되는 환경에서 사용하는 데 안성맞춤인 제품입니다. 어플리케이션 예로는 넓은 스펙트럼 파장대를 관찰하거나 필드 전용 장비로 치수를 측정하는 것 등이 있습니다.

그림 4: Retardance vs. 온도 (632.8nm에서 λ/4 Zero Order Waveplate)

F그림 5: Retardance vs. 파장 (632.8nm에서 λ/4 Zero Order Waveplate)

Achromatic Waveplates

두 재질의 상쇄 작용 때문에, achromatic waveplate는 심지어 zero order waveplates 보다도 더 안정적입니다(그림 6). 만약에 몇 개의 스펙트럼 파장 또는 전체 대역(예를 들어 자색에서 적색까지)을 커버해야 하는 경우, achromatic waveplate를 사용하는 것이 이상적입니다.

그림 6: Retardance vs. 610 – 850nm Achromatic Waveplate의 파장

어플리케이션 예시

선형 편광 회전

때때로 광학 시스템에 존재하는 편광을 바꾸기 위해 가 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 waveplate는 축을 수직 편광에 맞게 회전시키면 됩니다.

다른 예로 편광 축을 다른 방향으로 조절하길 원하는 경우가 있습니다. 입사된 편광으로부터 θ 각도로 waveplate의 축을 회전시키면 기존의 편광은 2θ로 회전됩니다. waveplate는 매우 평행성을 띄기 때문에, λ/2 waveplate를 삽입하거나 회전시키는 것으로 만으로도 재편성 없이 전체 광학 셋업을 변경할 수 있습니다.

선형과 원형 편광 사이의 변형

선형 polarizer와 λ/4 waveplate를 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 waveplate를 사용하면 원형 편광이 만들어집니다. 쉽게 방향을 가늠할 수 없는 원형 편광은 λ/4 waveplate를 통과하여 45° 방향의 축을 가진 선형 편광을 만들어냅니다. 또한, 선형으로 편광된 빛이 45° 외의 다른각으로 λ/4 waveplate에 입사되면, 타원형으로 편광이 만들어집니다.

선형 polarizer의 광학적 분리

선형 polarizer를 λ/4 waveplate와 함께 사용하면, linear polarizer에 의해 편광된 빛은 감쇠되지 않으면서 λ/4 waveplate를 통과 후 원형 편광으로만 바뀌는 광학적 고립 시스템이 됩니다. 만약 미러로부터 반사되면, 원형 편광된 빛은 다시 waveplate를 거쳐 90°로 회전된 채 선형 편광으로 돌아가게 됩니다(그림 7). 참고: λ/4가 두 번 지난 것은 λ/2가 한 번 지난 것과 같습니다. 새로운 방향을 가진 빛은 선형 polarizer에 의해 제거됩니다. 이러한 시스템은 더블 패스 기술로 피드백을 제거하는 경우에 사용합니다.

그림 7: λ/2 Waveplate에서 회전된 선형 편광

Beamsplitter와의 광학적 분리: 효율적인 Routing

polarizing beamsplitter는 그림 7의 예제처럼 광학적 분리 용도에서 선형 Polarizer를 대체할 수 있습니다. 이 polarizing beamsplitter로 되돌아온 빛은 감쇠 없이 대체된 경로로 다시 향하게 됩니다(그림 8). 대조적으로, 비편광 beamsplitter를 두 번 지나면 이론적으로 최대 25%만 원하는 방향으로 되돌아가고 25%는 다른 방향으로 가게 됩니다.

그림 8: λ/4 Waveplate를 이용한 선형 편광의 원형화

관절식으로 연결된 beam delivery arm에서 사용되는 clever routing 용도는 원형 편광이 방향에 둔감하다는 점을 이용합니다. 각각의 연결 부위는 미러의 앞뒤 방향으로 고정된 λ/4 waveplate 한 쌍을 포함합니다. 첫 번째 λ/4 waveplate는 미러로부터 위상의 변화 없이 효율적으로 반사하기 위해서 빛을 S-편광으로 바꿉니다. 두 번째 waveplate는 빛을 다시 원형 편광으로 바꾸며, 임의의 방향에서 다음 연결을 준비합니다.

그림 9: 광학적 분리를 설명하는 선형 polaizer와 λ/4 Waveplate 시스템

그림 10: 광학적 분리를 설명하는 Polarizing Beamsplitter와 λ/4 Waveplate 시스템

Waveplate는 빛의 상태를 제어하고 분석하는 데 이상적이며, 주로 3가지의 유형(zero order, multiple order, 및 achromatic)으로 제공됩니다. 각각의 유형은 용도에 따라서 특별한 장점을 가지고 있습니다. 광학 시스템이 단순하든, 복잡하든 주요 용어와 공정 방법을 정확히 이해한다면 올바른 waveplate 선택에 큰 도움이 됩니다.