레이저 광학이란 무엇입니까?
레이저 광학 장치는 일반적으로 일관성 있고 단색이며 자주 편광되고 때로는 강도가 높은 레이저 광을 조작하기 위해 특별히 고안된 구성 요소입니다. 레이저 광학의 형태와 응용은 너무 다양해서 일반화하기는 어렵지만 성공적으로 작동하려면 거의 항상 고정밀도로 제작되어야 합니다.
레이저 광학은 광섬유 통신 마이크로 광학부터 미터급 망원경 거울에 이르기까지 서비스하는 응용 분야만큼 다양합니다. 굴절, 반사, 회절, 편광, 스펙트럼 선택 프로세스, 비선형 효과, 산란 등 거의 모든 유형의 빛/물질 상호 작용을 통해 레이저 빔을 조작합니다.
레이저 광학 장치 제작에는 비슷하게 다양한 도구 상자가 사용됩니다. 이는 전통적인 연삭 및 연마(자동 및 컴퓨터 제어 변형 포함)부터 단일 지점 다이아몬드 선삭, 리소그래피, 다양한 성형 및 복제 방법, 홀로그램 기술, 다양한 박막 코팅 프로세스에 이르기까지 다양합니다.
그러나 레이저 광학에는 몇 가지 통합 요소가 있습니다. 첫째, 거의 항상 레이저 빔의 원래 파면 품질을 유지해야 합니다. 이는 공간적 밝기 및 일관성과 같이 레이저 빛을 독특하게 만드는 품질을 보존하는 데 필수적입니다. 광학 장치에 의해 발생하는 파면 왜곡은 시스템 효율성과 레이저 초점을 맞추고 빔 프로필을 유지하는 능력을 제한합니다. 이는 재료 가공, 수술, 현미경 검사, 유세포 분석, 통신 등 대부분의 응용 분야에 적용됩니다. 제작 측면에서 파면 왜곡을 최소화하려면 일반적으로 표면 모양이 매우 정확한 광학 제품을 만들고 매우 균일한 재료를 사용해야 합니다.
레이저 광학은 일반적으로 산란을 최소화해야 합니다. 이는 레이저 시스템 효율성을 감소시키고 소음을 유발할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 이미징부터 재료 처리까지 모든 면에서 성능이 저하됩니다. 산란을 최소화하는 것도 고출력 레이저 광학 장치의 레이저로 인한 손상을 방지하는 핵심 요소입니다. 낮은 산란 광학을 제조하는 첫 번째 단계는 일반적으로 표면 거칠기가 낮은 구성 요소 표면을 생성하는 것입니다.
레이저 광학 장치는 브루스터 창을 제외하고 거의 항상 얇은 필름으로 코팅되어 있습니다. 다시 말하지만, 이는 일반적으로 성능을 향상시키기 위해 수행됩니다. 예를 들어, 대부분의 투과형 레이저 광학 장치는 반사 방지 코팅을 사용하여 처리량을 최대화하고 허위(고스트) 반사를 최소화합니다. 박막 코팅은 광학 기판 재료보다 내구성이 더 강한 경우가 많으므로 코팅을 사용하여 광학 표면을 보호하고 부품 수명을 연장할 수도 있습니다. 일관된다이아몬드 오버코트(DOC) 이것의 뛰어난 예입니다.
이 주제의 매우 광범위한 범위를 고려하여, 이 기사는 레이저 광학의 가장 중요하고 광범위한 클래스에 대한 개요를 제공할 것입니다. 이에 대한 설명은 다음과 같습니다. 이 목록은 결코 포괄적이지 않습니다.
렌즈
렌즈는 레이저 광을 1차원 또는 2차원으로 집중시키거나 확산시키는 굴절 투과 광학 장치입니다. 주로 단색광과 함께 사용되므로 색수차(파장에 따른 렌즈 초점 거리의 변화)는 거의 문제가 되지 않습니다.레이저 렌즈. 이러한 이유로 단일 요소 렌즈(색상 보정이 없음)는 광학 장치가 완전히 축상에서 작동하는 많은 간단한 작업에 적합합니다. 예로는 빔 확장 망원경, 초점 조정 및 시준 렌즈가 있습니다. 실제로 단일 요소 초점 렌즈는 비구면 형상 본질적으로 회절 한계에서 축상 성능을 제공할 수 있습니다(이론적으로 가능한 최고의 성능).
그러나 적어도 두 가지 다른 경우에는 더 복잡한 다중 요소 렌즈 시스템이 항상 필요합니다. 첫 번째는 낮은 f값 시스템입니다(f값 = 렌즈 시스템 초점 거리/조리개). 특히 f/3 미만에서는 대부분의 단일 요소 구면 렌즈의 성능이 회절 한계에서 크게 벗어납니다. 이 문제를 해결하기 위해 비구면뿐만 아니라 다중 요소 구면 초점 렌즈가 사용됩니다.
다중 요소 시스템의 두 번째 응용 프로그램은 순전히 축상으로 작동하지 않고 특정 시야를 포괄해야 하는 시스템입니다. F-세타 스캔 렌즈 이것의 예입니다. 다양한 각도에서 평면(곡면이 아닌)에 초점을 맞추고 필드 가장자리에서 초점이 잘 맞는 크기를 달성하는 광학 장치를 만들려면 여러 요소가 필요합니다.
거울
금속 코팅 거울, 특히 실리콘, 구리, 알루미늄 및 금의 경우 가시광선 및 적외선 레이저 빔을 반사하는 데 자주 사용됩니다. 약 10 µm 출력의 CO2 레이저의 경우 금속 기판으로 거울을 만들고 광택이 나지 않은 금속 표면을 거울로 사용하는 것이 일반적입니다. 금속 및 금속 코팅 거울의 장점은 일반적으로 비용이 저렴하다는 것입니다.
박막 코팅은 더 높은 수준의 반사율이 필요할 때, 더 높은 레이저 손상 임계값 수준을 달성하기 위해 또는 정밀한 편광 제어가 필요할 때 사용됩니다. 가장 간단한 레이저라인박막반사체은 일반적으로 고굴절률 재료와 저굴절률 재료가 번갈아 쌓인 스택으로, 각 재료의 두께는 레이저 파장에서 1/4파장입니다. 이러한 유형의 여러 레이어를 구축하면 99.9% 이상의 반사율 값이 일상적으로 달성됩니다.
그러나 이러한 유형의 코팅이 있는 거울은 상대적으로 협대역입니다. 즉, 설계된 정확한 레이저 파장 이외의 파장에서는 사용할 수 없습니다. 또한 모든 박막 미러 코팅의 최대 반사율은 각도에 따라 이동합니다. 따라서 0° 입사각에서 사용하도록 설계된 레이저 라인 미러는 45°에서는 사용할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 넓은 범위의 파장과 입사각에 걸쳐 사용할 수 있는 광대역 전유전체(박막) 거울을 설계할 수 있습니다. 그러나 이들의 최대 반사율 값에는 약간의 희생이 있습니다.
빔분할기
빔 스플리터는 입사 레이저 에너지의 일부를 반사하고 나머지는 전송하는 광학 장치입니다. 이 효과는 편광에 크게 의존할 수 있습니다. 때로는 이것이 단점이 되기도 하지만, 다른 경우에는 직교 편파를 분리하거나 결합하는 데 특별히 활용됩니다.
빔 스플리터는 파장에 따라 달라질 수도 있습니다. 이 경우 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 동축 레이저 빔을 분리하는 데 사용될 수 있습니다. 이에 대한 예는 다음과 같습니다.이색성 빔스플리터Nd:YAG 레이저의 기본 파장(1064nm)을 반사하고 두 번째 고조파(532nm)를 전송합니다.
빔 스플리터의 가장 일반적인 형식은 다음과 같습니다.큐브 유형그리고플레이트 유형. 큐브형 빔스플리터는 두 개의 직각 프리즘이 빗변에서 결합되어 큐브를 형성하는 것으로 구성됩니다. 빔 스플리터 코팅은 프리즘 중 하나의 빗변에 적용됩니다. 나머지 네 면은 일반적으로 반사 방지 코팅되어 있습니다.
큐브와 플레이트형 빔 스플리터는 동일한 기능을 수행하지만 매우 다르게 구성됩니다. 이로 인해 서로 다른 특성이 부여되어 다양한 응용 분야에서 장점과 단점이 발생합니다.
플레이트형 빔 스플리터는 평면이 평행한(또는 종종 약간 쐐기형) 플레이트입니다. 빔 스플리터 코팅은 일반적으로 첫 번째 표면에 나타나고 두 번째 표면에는 반사 방지 코팅이 있습니다.
큐브형과 플레이트형 빔 스플리터는 모두 고유한 특성을 갖고 있어 다양한 응용 분야에서 장단점이 있습니다. 예를 들어, 플레이트형 빔 스플리터는 일반적으로 더 작고 가벼우며 생산 비용도 저렴합니다. 그러나 0° 입사각이 아닌 다른 각도에서 사용하면 주 반사 빔에서 오프셋되는 원치 않는 2차 반사가 생성됩니다. 또한 전송된 빔을 상쇄하므로 시스템 설계가 더 복잡해지고 정렬이 더 어려워질 수 있습니다.
큐브 빔 스플리터는 원치 않는 2차 반사 문제와 전송된 빔의 오프셋 문제를 제거합니다. 또한 일반적으로 더 넓은 범위의 입사각에서 더 잘 작동합니다. 또한 편광에 덜 민감하고 더 넓은 범위의 파장에 걸쳐 기능하는 코팅을 사용하면 큐브 빔 스플리터를 생산하는 것이 더 쉽습니다. 그러나 큐브 빔 스플리터는 내구성이 떨어지고 온도 변화에 더 민감할 수 있습니다.
편광 구성요소
대부분의 레이저는 편광된 빛을 방출하며 다음과 같습니다.다양한 광학 장치및 이 양극화를 조작, 분석 또는 이용하도록 설계된 장치입니다. 개념적으로 가장 간단한 광학 장치는 선형 편광판입니다. 특정 방향으로 편광된 빛은 통과시키고 다른 방향으로 편광된 빛은 차단합니다. 선형 편광판은 다양한 기능을 수행하는 데 사용될 수 있습니다. 편광 레이저 빔에서 회전하면 가변 감쇠기(레이저용 조광기 스위치) 역할을 합니다.
레이저 빔의 편광 상태를 변경하는 가장 기본적인 광학 장치 중 하나는 1/4 파장판입니다. 이는 선형 편광을 원형 편광으로 변환하거나 그 반대로 변환합니다. 반파장판은 입력된 선형 편광의 편광 방향을 회전시킵니다. 반파장판 자체가 물리적으로 회전하기 때문에 이 회전은 0°에서 90°까지 부드럽게 변할 수 있습니다.
편광 회전 장치 및 선형 편광판(또는편광 빔 스플리터)을 결합하여 만들 수 있습니다.패러데이 아이솔레이터.이들은 빛을 위한 "일방향 밸브"입니다. 이는 반사된 빛이 레이저에 다시 들어가는 것을 방지하는 데 특히 유용한 장치로, 이로 인해 손상이 발생하거나 작동이 불안정해질 수 있습니다. 패러데이 아이솔레이터는 일반적으로 고출력 산업용 레이저 시스템에서 이 기능을 수행합니다.
패러데이 아이솔레이터는 편광 빔 스플리터와 자기 활성 결정(빛의 편광 평면을 45° 회전시키는)의 조합을 사용하여 레이저 빔을 한 방향으로만 통과시키는 장치를 만듭니다.
보다 정교한 편광 기반 레이저 광학은전기광학 변조기(EOM).패러데이 아이솔레이터와 마찬가지로 투과된 빛의 편광면을 회전시키는 수정을 사용합니다. 그러나 이 경우 효과는 자기장보다는 인가된 전기장에 의해 제어됩니다. 이것을 포켈스 효과라고 합니다.
강도 변조기를 만들기 위해 전기광학 결정은 선형 편광판과 쌍을 이룹니다. 입력된 레이저 빔의 편광면이 선형 편광판과 일치하면 빔이 투과됩니다. 크리스탈이 선형 편광판에 대해 빔 편광을 90° 회전하도록인가된 전압이 조정되면 빔이 차단됩니다. 전압을 변경하면 전송된 레이저 빔 강도가 일반적으로 최대 수 MHz의 속도로 변조될 수 있습니다.
고에너지 레이저(HEL) 광학
정확히 무엇을 구성하는지에 대한 구체적인 정의는 없습니다.고에너지 레이저 광학, 그러나 본질적으로 이들은 높은 피크 에너지 또는 플루언스 값을 갖는 레이저와 함께 사용되는 구성 요소입니다. 특히 이는 전통적인 방법을 사용하여 생산된 대부분의 광학 장치를 손상시키거나 적어도 유효 수명을 크게 단축시키는 전력 수준을 의미합니다.
레이저로 인한 손상 메커니즘은 다양하며 레이저 파장, 펄스 에너지, 피크 전력, 펄스 형태 등을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 그러나 대부분의 손상은 벌크 흡수로 인한 가열, 레이저 펄스의 높은 전기장으로 인한 유전 파괴, 다광자 흡수로 인한 눈사태 파괴를 통해 발생하는 경향이 있습니다.
고에너지 레이저 광학 장치의 기능은 이미 설명한 것과 동일합니다(렌즈, 거울, 편광판 등). 그러나 작동 중 다양한 손상 메커니즘을 최소화하려면 이러한 구성 요소의 재료, 연마 및 코팅을 매우 신중하게 제어해야 합니다.
이것은 종종 재료 선택으로 시작됩니다. 즉, 본질적으로 높은 레이저 유발 손상 임계값(LIDT)과 작동 파장에서 낮은 흡수를 나타내는 기판 재료를 선택합니다. 물론 실제 재료 자체는 순도와 품질이 높아야 합니다. 그런 다음 후속 처리(성형, 코팅, 심지어 포장까지)의 모든 단계를 주의 깊게 모니터링하고 제어하여 오염을 최소화해야 합니다. HEL 광학은 일반적으로 클린룸 환경에서 제작됩니다.
표면 거칠기는 종종 LIDT에서 중요한 역할을 하므로 HEL 제작에서는 특수 연마 기술이 자주 사용됩니다. 사용되는 연마재는 오염과 그에 따른 손상을 최소화하기 위해 특별히 선택될 수도 있습니다.
HEL 광학용 박막 코팅을 생산하는 것은 그 자체로 하나의 전체 분야입니다. 다시 말하지만, 사용된 재료와 그 순도는 기본입니다. 또한, 코팅 설계는 열 전도성과 방열을 향상시키기 위해 특별히 최적화될 수 있습니다. 또한 코팅은 높은 에너지 수준에서 더욱 두드러지는 고조파 생성 또는 자체 초점 조정과 같은 비선형 광학 효과를 억제하도록 설계될 수 있습니다.
초고속 광학
초고속 레이저용 광학 및 코팅(펨토초 또는 피코초 범위의 펄스 지속 시간)은 또 다른 독특한 구성 요소 클래스입니다. 여기에는 두 가지 주된 이유가 있습니다.
첫째, 초고속 레이저는 대부분의 다른 레이저만큼 단색이 아닙니다. 이는 초고속 레이저의 기본 물리학에 따르면 펄스 폭이 짧아질수록 출력의 스펙트럼 대역폭(파장 범위)이 증가하기 때문입니다. 예를 들어, 다음에서 생성된 12fs 펄스는일관된 비타라레이저는 800nm에 중심을 두고 있지만 대역폭은 약 100nm입니다.
초고속 광학의 두 번째 차별화 요소는 종종 매우 높은 피크 출력을 갖는다는 것입니다. 이러한 전력 수준은 앞서 언급한 레이저로 인한 손상 문제를 일으킬 수 있습니다.
초고속 펄스의 더 넓은 대역폭으로 인해 발생하는 주요 문제는 가시광선에 사용되는 이미징 광학 장치에서 발생할 수 있는 색수차가 아닙니다. 대신 문제는 군속도 분산(GVD)입니다.
GVD는 초고속 펄스의 다양한 파장 구성 요소가 재료를 통해 약간 다른 속도로 이동하기 때문에 발생합니다. 따라서 초고속 펄스가 광학 또는 코팅을 통과할 때 더 짧은 파장이 더 긴 파장보다 조금 늦게 나타납니다. 이렇게 하면 펄스 길이가 늘어납니다.
초고속 펄스는 단색이 아니지만 다양한 파장으로 구성됩니다. 펄스가 짧을수록 이 스펙트럼 확산은 더 넓어집니다. 초고속 펄스가 물질을 통과할 때 분산으로 인해 짧은 파장이 긴 파장보다 느리게 이동하게 됩니다. 이렇게 하면 펄스가 시간에 따라 확산되어 펄스 폭이 증가합니다. 펄스 압축 거울은 이 효과를 반전시키기 위해 더 빠른 파장이 코팅 안으로 더 멀리 이동하도록 만듭니다.
펄스 길이의 증가는 용도에 따라 몇 가지 문제를 야기합니다. 우선, 시간 분해 분광학과 같은 응용 분야에서 시간 분해능을 낮춥니다. 또한 다광자 이미징 또는 CARS 분광법과 같은 비선형 현상에 의존하는 모든 응용 분야에 영향을 미치는 펄스 피크 전력을 줄입니다.
초고속 광학의 중요한 종류 중 하나는 다음과 같습니다.'분산거울.'이들은 초고속 레이저 펄스의 분산 효과를 관리하도록 특별히 설계된 얇은 필름 코팅 고반사체입니다.
이 광학 장치는 개념적으로 간단한 원리로 작동합니다. 기본적으로 각각 약간 다른 파장으로 조정된 여러 개의 고반사 코팅 스택으로 구성됩니다.
이제 더 짧은 파장의 반사기가 코팅 상단에 있고 더 긴 파장의 반사기가 스택의 더 깊은 곳에 배치되는 설계를 고려해 보십시오. 더 긴 파장은 반사되기 전에 코팅을 통해 더 멀리 이동해야 하므로 시간이 더 걸리고 펄스의 '느린' 구성 요소가 이를 따라잡을 수 있습니다. 이는 이전에 다른 분산 구성 요소를 통과했기 때문에 확산된 펄스를 다시 압축하는 효과가 있습니다.
분산거울은 의도적으로 펄스를 연장하기 위해 종종 사용됩니다. 예를 들어 펄스는 증폭기에 들어가기 전에 분산 거울을 사용하여 길어질 수 있습니다. 이는 피크 전력을 낮추고 매우 높은 레이저 플루언스로 인해 증폭기 광학 장치가 손상될 가능성을 줄입니다. 펄스가 증폭된 후 첫 번째 분산 거울과 반대 효과를 갖는 다른 분산 거울을 사용하여 원래의 더 짧은 펄스 폭으로 다시 압축됩니다. 이를 처프 펄스 증폭(CPA)이라고 합니다.
이 개요에서는 몇 가지 유형의 레이저 광학 장치만 다루었으며 작동 방식과 사용 이유에 대한 간단한 설명을 제공했습니다. 광범위한 범위를 탐색하여 자세히 알아보세요.일관된 레이저 광학.