무반사(AR) 코팅

본 내용은 레이저 옵틱스 리소스 가이드의 단원 4.3에 해당합니다.

에드몬드 옵틱스는 투과율 증대, 콘트라스드 강화, 고스트 이미지 제거를 통해 광학 부품의 효율성을 크게 개선할 수 있도록 다양한 AR 코팅 옵션을 갖춘 TECHSPEC® transmissive optics 제품을 취급합니다. 대부분의 AR 코팅은 내구성이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 물리적 및 환경적 손상에 대해 강한 내성을 보입니다. 이러한 이유로 투과형 광학 부품 대다수에는 여러 형태의 AR 코팅이 포함됩니다. 고객의 특정 어플리케이션에 적합한 AR 코팅을 지정할 시에는 우선 시스템의 전체 스펙트럼 범위를 완벽히 파악하고 있어야 합니다. AR 코팅이 광학 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수는 있지만 파장 범위 밖의 존재하는 파장에서 코팅을 처리할 경우에는 잠재적으로 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다.

AR 코팅을 선택하는 이유?

프레넬 반사에 따르면 빛이 공기 중에서 코팅되지 않은 글래스 기판을 통과할 때 각각의 경계면에서 전체 빛의 약 4%가 반사하게 됩니다. 이러한 반사로 인해 전체 입사광의 92%만이 투과를 하기 때문에 다수의 용도에는 매우 불리할 수 있습니다(그림 1). 레이저 용도에서 과도하게 반사된 레이저광은 출력량을 감소시키고 레이저 유도 손상을 일으킬 수 있습니다. 무반사(AR) 코팅을 광학 표면에 적용하면 시스템의 출력량은 증가시키고 반사된 빛이 시스템 내로 다시 입사하여 고스트 이미지를 생성하는 피해는 줄일 수 있습니다. AR 코팅은 여러 개의 광학 요소로 구성된 시스템에서 특히 중요한 부분을 차지합니다. AR 코팅 처리된 광학 부품은 빛을 효율적으로 사용할 수 있어 저조도 시스템에서 많이 활용됩니다.

그림 1: 프레넬 반사는 소재의 모든 경계면에서 발생함. 모든 반사광의 일부는 추가 경계면에 도달할 때마다 프레넬 반사를 경험하게 됨1

그림 1: 프레넬 반사는 소재의 모든 경계면에서 발생함. 모든 반사광의 일부는 추가 경계면에 도달할 때마다 프레넬 반사를 경험하게 됨¹

AR 코팅은 박막(thin film)의 상단 및 하단 경계에서 반사되는 빔 간의 상대적 위상 변이(relative phase shift)가 180°가 되도록 설계됩니다. 두 개의 반사 빔 사이에서 발생하는 상쇄 간섭은 표면을 출사하기 전에 두 빔을 다 상쇄시킵니다(그림 2). 광학 코팅의 광학 두께 λ/4의 홀수 정수배가 되어야 하며, 이때 λ는 반사되는 빔들 사이의 경로차가 λ/2이 되도록 하기 위한 최대 성능에 최적화된 파장 또는 설계 파장을 가리킵니다. 따라서 빔을 상쇄시키기 위해서는 경로차가 λ/2가 되어야 합니다. 반사된 빔을 완전히 상쇄하기 위해 필요한 박막(n_f)의 굴절률은 입사 매질(n₀)와 기판(n_s)의 굴절률을 이용해 계산할 수 있습니다.

(1)$$ n_f = \sqrt {n_0 \, n_s} $$

그림 2: 모든 반사 빔의 상쇄 간섭을 유발하기 위해서는 모든 코팅 레이어의 굴절률과 두께를 신중하게 제어해야 함

무반사 V 코팅은 특정 설계 파장(DWL)을 중심으로 한 매우 좁은 파장영역에서 투과율을 높이기 위해 설계된 일종의 AR 코팅입니다. 이러한 유형의 코팅을 "V-coat"라고 명칭하는 이유는 투과 대비 파장의 곡선이 DWL에서 최소가 되는 "V"자를 형성하기 때문입니다. V 코팅은 단일 주파수나 라인폭이 좁은 레이저 또는 협폭의 full width-half max (FWHM) 광원을 사용할 때 투과율이 최대가 되도록 하는 용도에 적합합니다.¹ V 코팅은 일반적으로 DWL에서 반사율이 0.25% 미만입니다. 그러나 V 코팅의 반사 곡선은 국소적으로 거의 포물형에 가까우며 반사율은 DWL 이외의 파장에서 현저히 높게 나타납니다(그림 3).

그림 3: 266nm에서 투과를 극대화하기 위해 설계된 레이저 V 코팅의 예

표 1은 EO에서 취급하는 표준 레이저 V 코팅에 대한 보장된 레이저 유도 손상 임계치(LIDT)와 반사율을 보여줍니다.

표 1: EO의 레이저용 표준 V 코팅의 반사율 스펙과 보장된 laser induced damage threshold - 요청에 따라 맞춤형 파장 이용 가능

광원의 파장은 DWL로부터 멀리 위치할수록 반사율이 급속하게 증가함에 따라 V 코팅이 된 광학 부품은 코팅용으로 지정된 DWL에서 정확하게 사용하거나 또는 매우 근접한 파장에서 사용해야 합니다. V 코팅의 흥미로운 특징 중 하나는 투과 곡선이 DWL에서의 반사율만큼 최적화되지 않은 DWL의 harmonics(예: λ₀/2 또는 λ₀/4)에서 반사율이 국소 최소치에 도달할 정도로 반주기적(semi-periodic)이라는 점입니다. 일반적으로 V 코팅은 두 개의 레이어로만 이루어집니다. 단순 V 코팅은 두께가 λ/4인 단일 레이어로 구성될 수 있으며 밴드폭을 조정하거나 적절한 굴절률의 코팅 소재를 사용할 수 없는 경우에는 더 많은 레이어가 필요할 수 있습니다. 또한 여러 개의 레이어로 구성된 코팅을 이용하면 다양한 입사각을 보정할 수도 있으나 코팅 작업이 더 복잡해지고 밴드폭이 더욱 넓어지는 경향이 있습니다. V 코팅의 레이어 두께가 정확하지 않을 때에는 반사율이 증가하고 DWL이 바뀌게 됩니다. 에드몬드 옵틱스의 V 코팅은 0.25% 미만의 현저히 낮은 최소 반사율을 달성하며 표준 V 코팅 전부 다 DWL에서 공칭 반사율이 0.25% 미만이 되도록 설계됩니다. 따라서 코팅 허용오차에 따라 DWL의 이동이 다소 허용될 수 있습니다.

광대역 무반사(BBAR) 코팅은 훨씬 더 넓은 파장 범위에서 향상된 투과를 제공하도록 설계되었습니다. 일반적으로 이 코팅은 multiple-harmonic을 생성하는 레이저 및 광대역 스펙트럼 광원에 사용됩니다. BBAR 코팅은 V 코팅만큼 높은 반사율을 제공하지는 않지만, 투과 대역이 넓기 때문에 유용성이 더욱 뛰어납니다. AR 코팅은 렌즈와 윈도우 등의 투과형 광학 부품에 적용되는 것 외에도 공기와 크리스탈이 만나 프레넬 반사를 일으키는 지점에서 반사를 최소화하기 위해 레이저 크리스탈 및 비선형 크리스탈에도 사용됩니다.¹

광대역 무반사(BBAR) 코팅 옵션

에드몬드 옵틱스는 표면 반사를 줄일 수 있도록 단일층의 유전체 AR 코팅 옵션을 갖춘 TECHSPEC® 렌즈를 취급합니다. 이외에도 기성 광학 제품 및 대량 맞춤 제작 주문 시 맞춤형 단일층, 다층, V, 2V 코팅을 이용할 수 있습니다. 자세한 정보는 맞춤형 렌즈 코팅을 참조하십시오.

그림 4: 파장 선택 도표

λ/4 MgF₂: 가장 단순한 AR 코팅은 550nm를 중심으로 한 λ/4 MgF₂입니다(550nm에서 굴절률 1.38). MgF₂코팅은 관련된 글래스 유형에 따라 다양한 결과를 제공하더라도 광대역 용도에 사용하기 적합합니다.

VIS 0° 및 VIS 45°: VIS 0° (0° 입사각) 및 VIS 45° (45° 입사각)는 425 – 675nm 대역에서 최적의 투과율을 제공하며, 평균 반사율을 각각 0.4% 및 0.75%로 줄여줍니다. 가시광 용도에서는 MgF₂보다 VIS 0° AR 코팅 처리가 더욱 바람직합니다.

VIS-NIR: 당사의 VIS/NIR 광대역 AR 코팅은 특히 NIR에서 최대 투과율(>99%)을 달성하도록 최적화되어 있습니다.

Telecom-NIR: 당사의 Telecom/NIR은 널리 사용되는 통신용 파장인 1200–1600nm를 위한 전용 광대역 AR 코팅입니다.

UV-AR 및 UV-VIS: UV 코팅은 자외선 영역에서 코팅 성능을 향상시킬 수 있도록 UV fused silica lens 및 UV fused silica window에 적용됩니다.

NIR I 및 NIR II: 당사의 NIR I 및 NIR II 광대역 AR 코팅은 흔히 사용되는 광섬유, 레이저 다이오드 모듈, LED광의 NIR 파장에서 탁월한 성능을 제공합니다.

그림 5과 6, 표 2에서는 EO에서 취급하는 표준 BBAR 코팅 옵션을 확인할 수 있습니다.