빔 익스팬더 테스트

레이저 빔 익스팬더는 광범위한 레이저 용도에서 시준된 입력빔의 직경을 증가시키는 데 사용됩니다. 빔 익스팬더의 품질을 규정할 때 투과 웨이브프론트 에러 또는 이상적인 형태에서 빔 익스팬더를 벗어나는 웨이브프론트의 편차를 시험하는 것은 매우 중요한 작업입니다. 이러한 투과 웨이브프론트 에러를 분석하면 광학 수차가 빔 익스팬더의 성능에 어떠한 방식으로 영향을 미치는지를 알아낼 수 있습니다.

웨이브프론트는 광파의 위상이 일정한 표면을 가리킵니다. 웨이브프론트는 광파의 전파 방향에 수직이기 때문에 평면 웨이브프론트(planar wavefront)는 시준광과 관련이 있으며 만곡 웨이브프론트(curved wavefront)는 수렴 또는 분산광과 관련이 있습니다(그림 1). 광학 부품에 존재하는 수차는 투과 또는 반사 웨이브프론트 에러로 알려진 투과 또는 반사 웨이브프론트 왜곡을 유발합니다.

그림 1: 렌즈로 입사하는 완벽한 시준광은 평면 웨이브프론트를 가지고 있는데 반해 수차가 없는 완벽한 렌즈를 통과한 수렴광은 포커싱 스폿을 중심으로 한 구면 웨이브프론트를 갖게 됨

Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWFS)는 HDR과 높은 정밀도를 갖춘 빔 익스팬더 테스트할 때 투과 웨이브프론트 에러를 측정하는 데 사용됩니다. SHWFS는 입사광의 일부를 디텍터 어레이의 작은 영역 위로 초점을 맞추는 동일한 microlens 또는 lenslet의 어레이로 구성됩니다(그림 2).

그림 2: Shack-Hartmann wavefront sensor는 응답이 빠르고 사용이 간편하며 상대적으로 저가이기 때문에 투과 웨이브프론트 에러를 테스트할 때 널리 사용됨

평면 웨이브프론트와 함께 완벽하게 시준된 입사광파는 각 마이크로렌즈의 중심 간격으로 분리된 격자 형태의 포커싱 스폿들로 초점을 맺게 됩니다. 입사광파에 웨이브프론트 에러가 존재하면 디텍터의 포커싱 스폿 위치가 변경됩니다(그림 3). 이러한 변위 또는 포커싱 스폿에서의 강도 감소는 각 마이크로렌즈 어레이 상에서 웨이브프론트 입사광의 국소적 기울기를 구할 때 사용됩니다. 그 다음 개별 기울기를 이용하면 전체 입사광파의 웨이브프론트 근사치를 계산할 수 있습니다.

그림 3: SHWFS에 입사하는 입사광파의 웨이브프론트 에러는 디텍터 어레이 상에서 포커싱 스폿의 위치 변위를 일으킴

일반적으로 각 마이크로렌즈의 포커싱 스폿은 입사광의 웨이브프론트를 정확하게 재구성하기 위해 각각의 센서 세그먼트에서 10개 이상의 픽셀을 커버해야 합니다. SHWFS의 감도는 포커싱 스폿으로 커버되는 디텍터 영역이 증가해야 향상됩니다. 하지만 이 점은 대신 동적 범위가 줄어드는 절충이 뒤따릅니다. 경험상 각 마이크로렌즈의 포커싱 스폿이 관련 센서 세그먼트의 절반 이상은 커버하지 않아야만 감도와 동적 범위 간의 적절한 타협을 이룰 수 있습니다.¹

캡처된 데이터 포인트의 양을 어레이 상에 있는 마이크로렌즈의 증가수로 곱하면 수행하고자 하는 웨이브프론트 슬로프의 평균량을 줄일 수 있습니다. 다만 마이크로렌즈의 수를 증가시키면 각 마이크로렌즈에 할당된 픽셀의 양 또한 감소합니다. 대형 마이크로렌즈의 수가 줄어들면 복합 웨이브프론트를 충분히 샘플링하지 않아도 돼 재구성된 웨이브프론트를 인위적으로 부드럽게 만들 수는 있지만, 마이크로렌즈의 크기가 클수록 천천히 변화하는 웨이브프론트를 더 정밀하고 민감하게 측정할 수 있습니다.² 따라서 레이저 빔 익스팬더를 테스트할 때는 이와 같은 절충안을 전부 고려해야 합니다.

레이저 빔 익스팬더의 투과 웨이브프론트는 광파의 양으로 명시됩니다. 예를 들어 532nm용으로 설계된 빔 익스팬더는 λ/10의 P-V (peak-to-valley) 투과 웨이브프론트 에러를 가지고 있으며 이때 이상적인 출력 웨이브프론트의 최대 허용 왜곡량은 다음과 같습니다.

빔 익스팬더의 투과 웨이브프론트 에러가 λ/4일 때 일반적으로 빔 익스팬더는 "회절 한계"로 간주됩니다.

참고 문헌

1. Forest, Craig R., Claude R. Canizares, Daniel R. Neal, Michael McGuirk, and Mark Lee Schattenburg. "Metrology of thin transparent optics using Shack-Hartmann wavefront sensing." Optical engineering 43, no. 3 (2004): 742-754.
2. John E. Greivenkamp, Daniel G. Smith, Robert O. Gappinger, Gregory A. Williby, "Optical testing using Shack-Hartmann wavefront sensors," Proc. SPIE 4416, Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001), (8 May 2001); doi: 10.1117/12.427063