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High Reflectivity Mirrors

반사율: 보기 보다 더욱 복잡한 특성 보유

 

고반사율 레이저 미러는 빔 조정 용도에 매우 중요한 구성 요소임

 

산업 표준 방식만으로는 정확한 반사율 측정이 불가능함

 

반사율은 자체는 단순해 보일 수 있으나 실제로는 측정이 어려운 수치임

 

Cavity ring down spectroscopy (CRDS)는 반사율을 구하기 위해 총 손실량을 측정하는 데 사용됨

반사율이 99.8%에서 최고 99.999%에 이르는 고반사율 미러(high reflectivity mirror)는 출력량을 최대화하면서 빔을 조정해야 하는 대부분의 레이저 시스템에 꼭 필요한 광학 부품입니다. 미러의 반사율을 구할 때 광학 업계에서 흔히 사용하는 방식은 분광 광도법(spectrophotometry)으로서 빛의 나머지는 반사되었다는 가정 하에 투과율을 계산하는 기술입니다. 그러나 산란이나 흡수를 고려하지 않는 잘못된 가정은 지나치게 낙관적인 반사율 값을 초래할 수 있습니다. 반사율이 99.5%가 넘는 미러의 경우 반사율을 더 정확하게 알아낼 수 있는 방법은 cavity ring down spectroscopy (CRDS)를 이용해 총 손실량을 계측하는 것입니다. 따라서 실제 성능을 예측하기 위해는 미러 공급 업체의 계측 방법을 이해하는 것이 무엇보다 중요합니다.

잘못된 가정: 투과율 계측만으로는 역부족

광학 부품 공급 업체 사이에서는 일반적으로 분광 광도계를 사용해 투과율을 직접 계측하고 미러의 반사율을 검증하는 것이 업계의 관례로 여겨집니다. 이러한 방법은 산란과 흡수로 인한 영향이 미미하다고 가정하지만 매우 높은 반사율이 요구될 때에는 사소한 영향도 결과에는 상당한 효력을 미칠 수 있습니다. 반사율이 99.5% 미만일 때는 분광 광도계로 직접 측정할 수 있으나 99.5%를 넘는 수치의 경우 분광 광도계의 신호대잡음비(SNR) 한계에 도달하게 됩니다.

잘못된 결론: ∑강도 = 반사율 + 투과율

실질적 결론: ∑강도 = 반사율 + 투과율 + 산란 + 흡수

해결책: Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS)

고반사율 미러에 적용할 수 있는 가장 정확한 계측 옵션은 투과율, 흡수, 산란을 이용해 미러의 총 손실량을 측정하는 cavity ring down spectroscopy (CRDS) 방식입니다. 레이저 펄스는 두 개의 고반사율 미러에 의해 경계를 갖게 되는 공진 공동(resonant cavity) 쪽으로 유도됩니다(그림 1). 반사된 레이저 빛은 공진 공동 내에서 진동하며 반사될 때마다 소량의 빛을 손실합니다. 두 번째 미러 뒤에 놓인 디텍터는 반사되는 빛이 감소하는 강도를 측정합니다. 미러의 총 손실량은 반사광의 감쇠 시간(decay time) 또는 "ring down"에 의해 결정됩니다.

3D printed mechanics used for prototyping
그림 1: CRDS 방식을 이용하면 투과율, 흡수, 산란을 포함한 레이저 미러의 총 손실량 측정 가능

이때 공동(cavity) 내부의 레이저 강도(I)는 다음과 같이 설명됩니다:

$$ I = I_0 \exp{ \left[ - \left( \frac{\tau \, t \, c}{2 \, L} \right) \right]} $$
I0: 레이저 펄스의 초기 강도
τ: Cavity mirror의 총 손실량
t: 시간
c: 광속
L: 공동(cavity)의 길이

실제 사례

두 고반사율 미러의 투과율은 투과 분광 광도법(transmission spectrophotometry)을 이용해 측정되었습니다(그림 2). 미러 2는 미러 1보다 측정된 투과율이 현저히 낮았기 때문에 미러 2의 반사율이 더 높은 것으로 나타납니다. 이외 다른 계측을 실시하지 않았다면 미러 1의 공칭 반사율은 99.9% 그리고 미러 2의 공칭 반사율은 99.99%라고 가정할 수 있습니다.

Mirror 2 appears to have a higher reflectivity than Mirror 1 when analyzing them both using transmission spectrophotometry
그림 2: 투과 분광 광도법을 이용해 두 미러를 분석한 경우 미러 2의 반사율이 미러 1의 반사율보다 높은 것으로 나타남

그러나 CRDS 방식으로 두 미러를 측정할 때에는 반사율의 값이 이와 다르다는 것을 알 수 있습니다. 미러 1의 손실 값은 분광 광도법에 따라 구해진 공칭 반사율과 일치하지만 미러 2는 반사율이 너무 낮아 CRDS 시스템에서 공진(resonance) 조차 생성할 수 없습니다. 반사 분광 광도법(reflectance spectrophotometry)을 사용해 반사율을 직접 측정한 결과 미러 2는 흡수와 산란으로 인해 미러 1보다 성능이 더욱 저하하고 후행 반사율(trailing reflectance)이 0.5%까지 떨어지는 것으로 나타납니다(그림 3). 저파장에서의 반사율이 특히 낮은 것은 흡수와 산란의 특성이기도 합니다.

Using CRDS and reflection spectrophotometry revealed that Mirror 2 actually has significantly lower reflectivity than Mirror 1, especially at lower wavelengths
그림 3: CRDS와 반사 분광 광도법을 사용하면 특히 저파장에서 미러 2의 반사율이 미러 1의 반사율보다 현저히 낮은 것으로 나타남

이러한 예는 적절한 계측 기법을 사용하는 것이 고반사율 레이저 미러에 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 미러 2의 반사율이 99.99%라고 신뢰했다면 시스템의 고장으로까지 이어질 수 있었습니다. 아시다시피 실질적 반사율은 99.5%였습니다. 이처럼 테스트 값과 실제 값 간의 불일치는 성능 저하, 안전 문제 그리고 심지어는 시스템의 치명적 손상까지 야기할 수 있습니다.

웹비나: 레이저용 고반사율 미러

레이저 어플리케이션을 위한 CRDS와 고반사율 미러에 관한 더 자세한 정보는 Chris Cook, Tony Karam, Ian Stevenson, Stefaan Vandendriessche가 소개하는 웹비나 영상을 통해 확인할 수 있습니다.

에드몬드 옵틱스의 High Reflectivity Mirror 제품

에드몬드 옵틱스는 CRDS 기술을 활용해 측정에 민감한 고반사율 및 고투과율 광학 부품의 손실량을 계측합니다. EO의 CRDS 시스템은 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm 등의 일반적인 Nd:YAG 파장과 고조파에 맞춰 조정되어 있습니다. 요청에 따라 사용자의 시스템을 기타 파장에 적합하도록 조정할 수도 있습니다.

자주 묻는 질문(FAQ's)

FAQ  CRDS의 정확도가 더 높다면 미러의 반사율 측정에 CRDS가 항상 사용되지 않는 이유는 무엇입니까?
CRDS는 반사율이 99.5%가 넘는 미러 측정에만 사용할 수 있는데 이는 반사율이 낮으면 진행 속도가 너무 빨라져 시스템을 감지하기 어렵게 만드는 ring down time이 발생하기 때문입니다. 따라서 반사율을 구하는 최상의 테크닉은 반사율의 수준과 어플리케이션의 요건에 따라 달라질 수 있습니다.
FAQ  반사율이 99.5% 미만인 미러의 반사율은 어떻게 측정합니까?

반사율이 99.5% 미만인 미러는 반사 분광 광도법(reflection spectrophotometry)을 이용해 직접 측정할 수 있습니다. 다만 이와 같은 시스템은 신호대잡음비(SNR) 한계에 도달하기 때문에 반사율이 높은 미러에는 이러한 방식이 적합하지 않을 수 있습니다.

FAQ  흡수 또는 산란을 직접 측정할 수도 있습니까?

네, 가능합니다. 흡수의 경우는 광열 편향 분광법(photothermal deflection spectroscopy)을 이용해 직접 측정할 수 있으며 이때 측정된 굴절률 변화가 광 흡수량을 결정합니다. 산란은 산란계(scatterometer)나 원자간력 현미경(AFM: atomic force microscope)을 이용해 직접 측정할 수 있습니다. 원자간력 현미경은 샘플에 대해 정밀도가 높은 위상학적 지도를 생성하고 거칠기를 측정하기 때문에 산란을 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

FAQ  측정된 총 손실량에 공진 공동(resonant cavity)을 구성하는 알려지지 않은 미러와 기타 미러의 손실량이 포함될 때 알려지지 않은 테스트 미러의 반사율을 구하기 위해 CRDS를 어떠한 방식으로 사용해야 합니까?

테스트 미러의 손실량을 계산하기 위해서는 알려지지 않은 테스트 미러와 참조 미러 둘 다 여러 번의 테스트를 완벽히 수행해야 합니다.

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