균질성 및 이물질과 기포로 인한 산란

본 내용은 레이저 옵틱스 리소스 가이드의 단원 1.6과 1.7에 해당합니다.

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균질성

광학 기판의 균질성(homogeneity)은 굴절률 변화의 특징을 나타내며 투과 웨이브프론트와 편광 투과 효과의 변형을 초래합니다.⁵ 균질성은 다음과 같이 정의됩니다.

$ \small{ \Delta s} $는 웨이브프론트 편차, d는 기판의 두께, $ \small{ \Delta n} $은 굴절률의 P-V 변화를 가리킵니다. 높은 수준의 균질성 혹은 낮은 수준의 변화는 고출력 레이저 용도에 있어 특히 더 중요한 부분입니다. 이러한 균질성의 변화는 소재를 융해시키는 과정에서 발생합니다. 적절치 못한 혼합과 열역학적 불균형은 밀도의 변화를 유발하고 냉각과 어닐링 처리 단계는 프로파일의 변형을 일으킬 수 있습니다. 비균질성(inhomogeneity)은 글래스 전체에 걸친 굴절률의 변화인 구형의 비균일성 혹은 공간상에서 글래스 균질성의 작은 영역적 변형으로서 약 0.1mm - 2mm 거리를 덮는 줄무늬 형태를 취합니다. 표 1은 등급별 표준 균질성에 대한 굴절률의 최대 변동치를 보여줍니다.

표 1: 균질성 등급 및 굴절률의 최대 변동치²

Graded-Index (GRIN) lens는 비무작위의 결정론적 굴절률 프로파일을 이용해 의도적으로 비균질화한 렌즈 유형의 한 예로서 광선을 비선형으로 굴곡시키는 데 사용됩니다(그림 1)

그림 1: 한 지점으로 빛을 포커싱할 때 homogeneous lens와 GRIN lens의 비교

비균질성은 산란을 야기해 시스템의 성능을 저하시키고 고출력 레이저로 인한 손상을 초래할 수 있습니다. 이러한 손상을 방지하고 에너지를 효율적으로 활용하기 위해서는 투과형 레이저 광학계를 매우 높은 수준으로 균질화하고 투과 웨이브프론트와 편광 투과 효과가 변질되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

이물질과 기포로 인한 산란

이물질은 광학 글래스에 존재하는 외부 입자로서 융해 과정에서의 오염, 완전히 융해되지 않은 기판, 용해성이 낮은 내벽 물질 등 다양한 방식을 통해 유입됩니다. 기포 역시 글래스 융해 과정에서 발생하는 여러 가지 반응 으로 형성됩니다. 글래스 융해 단계에서 거의 모든 기포가 제거되지만 완벽하지 않은 정제 과정에서는 기포의 일부가 잔재할 수 있습니다. 광학 글래스 내에 있는 이물질과 기포를 거의 제거할 수 있는 정교한 제조 공정 일지라도 소량의 잔여 기포를 제거하기란 불가능합니다. 레이저 광학 내의 이물질은 빛의 산란을 유발하기 때문에 레이저 유발 손상 임계치(LIDT: Laser Induced Damage Threshold)를 감소시킵니다. 이물질이 미치는 영향력의 정도는 글래스 내에 존재하는 이물질의 수, 특성, 크기에 따라 달라질 수 있습니다.

글래스 내의 이물질과 기포의 농도는 소재의 100cm³ 부피당 mm² 단위 의 총 횡단면을 이용해 구할 수 있으며 이물질과 기포의 횡단면적 총합으로 산출됩니다. 100cm³ 부피당 기포의 최대 허용 직경과 수는 각각의 횡단면으로 정의됩니다. 크기가 서로 동일하다면 이물질은 기포로 취급됩니다. 기포의 등급은 표준, VB (increased bubble selection), EVB (extra increased bubble selection)와 같이 세 가지로 분류됩니다.

표 2: 광학 매질 내에 있는 기포와 이물질의 등급³

참고 문헌

1. F. Reitmayer and E. Schuster, "Homogeneity of Optical Glasses," Appl. Opt. 11, 1107-1111 (1972)
2. “TIE-26: Homogeneity of Optical Glass.” Schott, February 2016.
3. “TIE-28: Bubbles and Inclusions in Optical Glass.” Schott, May 2016.

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