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문제 정의
- 본 연구에서는 DuPont HRF-150-100 포토폴리머의 빛의 세기와 교차각의 변화에 따른 흘로그램 저장특성을 측정 분석하였다. 또한 평면파 홀로그램저장을 0.
제안 방법
- 먼저 공통적으로 사용하는 각 다중화 경우는 일정한 회절효율을 얻기 위해서 각 홀로그램에 대한 정확한 노광량이 필요하므로 우선 동일한 노광량으로 여러 개의 홀로그램을 저장하였다. 514nm의 기록 광을 대칭형으로 30°의 교차각을 유지하며 입사면에 수직인 축을 중심으로 각도 선택도에서 얻은 1.584°의 간격으로 변화시키며 2mW/cm2의 세기로 3초씩 조사하며 회절 효율을 측정하였다. 이러한 일정한 노출시간 간격으로 기록된 홀로그램의 회절효율의 제곱근 값을 계속 더해서 누적 격자 강도를 얻을 수 있다.
- 각 다중화와 회전 다중화를 결합하는 실험은 두 가지 방법으로 수행하였다. 첫 번째는 이미 알려진 방법으로서 폴리머를 폴리머에 수직인 축과 수평인 축으로 각각 독립적으로 회전하는 방법이고 두 번째는 폴리머에 수직인 축을 중심으로 폴리머를 회전하는 대신 레이저 빔을 직접 회전하고, 폴리머에 수평인 축 중심의 회전은 그대로 사용하는 방법이다.
- 프리즘 빔가르게를 사용하여 동일한 세기의 두 빔으로 분리하였고 신호빔은 폴리머 면에 항상 수직입사하도록 하였다. 각다중화를 위해서는 지면에 수직인 방향의 회전축을 사용하였으며 이동다중화를 위해서는 수평방향의 선형이동 대를 사용하였다. 폴리머는 각다중화와 이동 다중화를 위해서만 움직이고 회전다중화를 위해서는 폴리머는 정지한 상태에서 신호 빔을 고정하고 거울을 회전함으로써 기준빔을 움직이며 다중 홀로그램을 저장하였다.
- 그러나 이것은 대칭형 구조에서 구면파 기록일 때 수축에 의한 각의 변화를 최소화 하기 위한 방법이나 본 시스템은 비대칭 구조이므로 수축 문제는 여전히 남아있다. 각다중화와 회전 다중화의 결합을 위해 스텝 1.584°, 회전다중화 스텝 2°를 유지하며 각각 10 스텝씩 이동하며 저장함으로써 총 10(개의 비교적 동일한 회절 효율을 갖는 흘로그램을 저장할 수 있었으며 이를 위해 역시 누적 격자 강도와 다항식을 이용한 노출시간 계획을 통해 수행하였다. 그림 10은 동일노광량과 시간계획에의한 노광량에의한 흘로그램의 회절 효율이다.
- 폴리머는 각다중화와 이동 다중화를 위해서만 움직이고 회전다중화를 위해서는 폴리머는 정지한 상태에서 신호 빔을 고정하고 거울을 회전함으로써 기준빔을 움직이며 다중 홀로그램을 저장하였다. 거울이 부착된 팔이 회전하는 방식을 택하였고 다중화 과정에서는 다른 다중화 경우와 마찬가지로 다음 스텝으로 이동하는 동안 빛의 차단을 위해 전기 셔터를 사용하였다.
- 따라서 각, 회전, 이동 다중화의 세 가지 결합에 용이하다. 구면파를 이용하기 위해 두 개의 렌즈를 기준빔과 신호빔의 경로에 사용하였고 기준빔은 포토폴리머 면의 조금 앞에, 신호빔은 조금 뒤에 푸리에 면이 형성되도록 하였다. 그러나 이것은 대칭형 구조에서 구면파 기록일 때 수축에 의한 각의 변화를 최소화 하기 위한 방법이나 본 시스템은 비대칭 구조이므로 수축 문제는 여전히 남아있다.
- 이러한 일정한 노출시간 간격으로 기록된 홀로그램의 회절효율의 제곱근 값을 계속 더해서 누적 격자 강도를 얻을 수 있다. 그러나 균일한 회절효율을 갖는 각다중화 기록실험을 위해서는 각 홀로그램에 대한 노광 시간배분을 재조정해야 하므로 균일 노광실험의 누적 격자강도와 누적 노출 에너지에 대한 다음과 같은 6차 다차항 식 최적 조절법을 이용하였다.
- 흘로그램 저장실험을 위해 한 면을 떼어내 고유리에 부착하여 사용하였고, 입사빔의 세기, 교차각, 시간 분배를 이용한 각다중화와 회전 다중화 홀로그램 저장 실험을 수행하였다. 그림 1은 포토폴리머의 흡수스펙트럼으로서 본 실험에서는 30%정도의 흡수가 있는 514nm에서 기록하고 흡수가 거의 없는 633 nm에서 약한 빔을 사용하여 회절효율을 측정하였다. 물론 488nm에서 기록할 경우 흡수가 커서 작은 세기의 빛으로도 충분한 회절효율을 얻을 수 있으나 현재 쉽게 사용할 수 있는 레이저 광원이 녹색계열이므로 514 nm> 선택하였다.
- 따라서 이를 줄이는 것이 부피 형 흘로그램에 있어서 아주 중요한 요소가 됨을 알 수 있다. 두 입사빔이 이루는 각을 30°로 유지하면서, 두 입사 빔과 매질의 법선이 이루는 각을 다르게 하여 2mW/cm2 세기의 빔으로 흘로그램을 저장한 후, 각도를 좌우로 0.0036°도씩 회전하며 회절 효율을 측정한 실험하였다. 여러가지 입사 조건에 대한 측정 결과를 Zhao 등이 사용한 방법으로 수축 정도를 계산한 결과는 표 1과 같으며 경사가 심할수록 수축률이 크게 나타났다.
- 또한 평면파 홀로그램저장을 0.2cm2 면적에 23개의 각 다중화, 130개의 각-폴리머 회전 다중화, 100개의 각-기준빔회전 다중화를 수행하였다. 각-기준빔 회전 다중화는 새로운 시도로서 이동 다중화와 결합이 용이한 시스템 제작을 통해 장점을 확인할 수 있었다.
- 폴리머 회전 다중화에 대해 측정한 결과는 약 2°로 측정되었다. 먼저 공통적으로 사용하는 각 다중화 경우는 일정한 회절효율을 얻기 위해서 각 홀로그램에 대한 정확한 노광량이 필요하므로 우선 동일한 노광량으로 여러 개의 홀로그램을 저장하였다. 514nm의 기록 광을 대칭형으로 30°의 교차각을 유지하며 입사면에 수직인 축을 중심으로 각도 선택도에서 얻은 1.
- 특히 기록전 노광량과 기록감도, 그리고 노광량에 따른 폴리머의 수축 등은 저장 연구에서 고려되어야 할 부분이다. 본연구에서는 두께가 100|im인 HRF-150-100 포토폴리머에 대한 흘로그램 저장특성과 수죽 정도에 대한 분석 등을 수행하였고 입사각에 따른 회절특성과 Bragg 각선택도에 대한 특성을 측정하였으며 각도와 회전 다중화를 결합하여 여러 개의 홀로그램을 저장하였다. 회전 다중화의 경우 기존의 폴리머를 회전하는 시스템을 이용했을 뿐만 아니라 이동 다중화와 각 다중화와의 결합이 용이하도록 기준빔을 직접 회전하는 시스템을 제작하여 저장하였다.
- 각다중화와 회전 다중화의 결합은 기존의 각회전 외에 폴리머의 면의 수직 축에 대한 회전을 추가함으로써 수행할 수 있었다. 이 시스템으로 각 다중화를 위해 1.512° 간격으로 수직축에 대한 회전을, 회전 다중화를 위해선 3.5° 간격으로 폴리머 중심축에 대한 회전을 하며 평면파에 대한 각다중화와 회전다중화 결합실험을 수행하였다. 그리고 회전다중화와 각다중화에 대해서 분해능이 0.
- 6°이다. 이것을 실험치와 비교하기 위해 Bragg각을 기준으로 최소분리 각 0.036°로 좌우로 측정하여 각도 선택도 실험을 측정하였다. 그림 4에서 보는 바와 갇이 반치폭(FWHM)은 0.
- 이러한 다중화 방법은 입사되는 두 레이저 빔의 위치를 고정시키고 포토폴리머를 두 개의 서로 수직인 축을 중심으로 회전하여 Bragg 각을 변화시키는 것이다. 이와 달리 두 번째 방법인 각-기준 빔 회전 다중화는 그림 9와 같은 실험장치를 사용하였으며 2개의 회전대와 1개의 선형 이동대 위에 폴리머가 놓이도록 하여 각과 회전과 이동 다중화가 모두 가능하도록 하였다. 프리즘 빔가르게를 사용하여 동일한 세기의 두 빔으로 분리하였고 신호빔은 폴리머 면에 항상 수직입사하도록 하였다.
- 4mJ/cn?의 동일한 노광량으로 다중화를 수행하였다. 즉 일정한 각에서 51개의 회전 다중화로 저장하고 다시 다른 각으로 이동해서 51개를 저장하는 방식을 택하였다. 물론 수축현상을 고려하지 않는다면 이보다 각 다중화 영역을 확대할 수 있을 것이다.
- 각다중화를 위해서는 지면에 수직인 방향의 회전축을 사용하였으며 이동다중화를 위해서는 수평방향의 선형이동 대를 사용하였다. 폴리머는 각다중화와 이동 다중화를 위해서만 움직이고 회전다중화를 위해서는 폴리머는 정지한 상태에서 신호 빔을 고정하고 거울을 회전함으로써 기준빔을 움직이며 다중 홀로그램을 저장하였다. 거울이 부착된 팔이 회전하는 방식을 택하였고 다중화 과정에서는 다른 다중화 경우와 마찬가지로 다음 스텝으로 이동하는 동안 빛의 차단을 위해 전기 셔터를 사용하였다.
- 이와 달리 두 번째 방법인 각-기준 빔 회전 다중화는 그림 9와 같은 실험장치를 사용하였으며 2개의 회전대와 1개의 선형 이동대 위에 폴리머가 놓이도록 하여 각과 회전과 이동 다중화가 모두 가능하도록 하였다. 프리즘 빔가르게를 사용하여 동일한 세기의 두 빔으로 분리하였고 신호빔은 폴리머 면에 항상 수직입사하도록 하였다. 각다중화를 위해서는 지면에 수직인 방향의 회전축을 사용하였으며 이동다중화를 위해서는 수평방향의 선형이동 대를 사용하였다.
- 본연구에서는 두께가 100|im인 HRF-150-100 포토폴리머에 대한 흘로그램 저장특성과 수죽 정도에 대한 분석 등을 수행하였고 입사각에 따른 회절특성과 Bragg 각선택도에 대한 특성을 측정하였으며 각도와 회전 다중화를 결합하여 여러 개의 홀로그램을 저장하였다. 회전 다중화의 경우 기존의 폴리머를 회전하는 시스템을 이용했을 뿐만 아니라 이동 다중화와 각 다중화와의 결합이 용이하도록 기준빔을 직접 회전하는 시스템을 제작하여 저장하였다.
- DuPont HRF-150- 100 포토폴리머는 두께가 100)iin로서 양면이 마일러로 덮여있는 형태이다. 흘로그램 저장실험을 위해 한 면을 떼어내 고유리에 부착하여 사용하였고, 입사빔의 세기, 교차각, 시간 분배를 이용한 각다중화와 회전 다중화 홀로그램 저장 실험을 수행하였다. 그림 1은 포토폴리머의 흡수스펙트럼으로서 본 실험에서는 30%정도의 흡수가 있는 514nm에서 기록하고 흡수가 거의 없는 633 nm에서 약한 빔을 사용하여 회절효율을 측정하였다.
대상 데이터
- 그림 1은 포토폴리머의 흡수스펙트럼으로서 본 실험에서는 30%정도의 흡수가 있는 514nm에서 기록하고 흡수가 거의 없는 633 nm에서 약한 빔을 사용하여 회절효율을 측정하였다. 물론 488nm에서 기록할 경우 흡수가 커서 작은 세기의 빛으로도 충분한 회절효율을 얻을 수 있으나 현재 쉽게 사용할 수 있는 레이저 광원이 녹색계열이므로 514 nm> 선택하였다. 그림 2에서 보듯이 입사 빔의 강도가 OSmW/cn? 정도로 작을 때는 중합반응속도와 확산속도가 모두 느리기 때문에 포화될 때까지의 시간이 길어져 회절효율이 느리게 증가하였다.
성능/효과
- 2cm2 면적에 23개의 각 다중화, 130개의 각-폴리머 회전 다중화, 100개의 각-기준빔회전 다중화를 수행하였다. 각-기준빔 회전 다중화는 새로운 시도로서 이동 다중화와 결합이 용이한 시스템 제작을 통해 장점을 확인할 수 있었다. 노출시간 계획을 이용한 동일 회절 효율의 홀로그램 저장에서도 각-기준빔 회전 다중화가 우수하였으나 평면파와 구면파 홀로그램의 차이, 대칭형과 비대칭형 입사빔, 2축시스템과 3축시스템 등의 차이로 인해 절대 회절 효율에서도 많은 차이를 나타내어 두 시스템의 방법상의 장단점을 비교하기 어려웠다.
- 이것은 두 번째 방법이 구면파를 이용했기 때문인 것으로 사료된다. 그리고 간섭거리가 짧은 레이저를 사용하면 그림 9와 같은 장치에서 광경로를 동일하게 할 수 있도록 해야 하며 비대칭구조로 인해 수축현상을 고려해야하고 회전하는 동안 두 빔의 중첩이 잘 유지되어야 하므로 광정렬이 정확해야 하고 시스템의 기계적 안정화가 필요함을 알 수 있었다. 기준 빔 회전과 이동 다중화의 결합은 10개의 회전스텝과 3개의 이동스텝으로 30개의 흘로그램을 저장하였다.
- 첫 번째는 이미 알려진 방법으로서 폴리머를 폴리머에 수직인 축과 수평인 축으로 각각 독립적으로 회전하는 방법이고 두 번째는 폴리머에 수직인 축을 중심으로 폴리머를 회전하는 대신 레이저 빔을 직접 회전하고, 폴리머에 수평인 축 중심의 회전은 그대로 사용하는 방법이다. 두 번째 방법은 시스템이 더 복잡해지는 문제가 있으나 이동 다중화와 결합할 수 있다는 장점이 있다. 두 방법 모두 각-회전 다중화라고 할 수 있으며 이것을 각-폴리머 회전 다중화 결합과 각-기준빔 회전 다중화 결합으로 구분할 수 있다.
- 그림 10은 동일노광량과 시간계획에의한 노광량에의한 흘로그램의 회절 효율이다. 그러나 사전 노출양은 lOOmJ/cn?로써 첫 번째 방법보다 더 컸으며 회절효율도 감소하였다. 이것은 두 번째 방법이 구면파를 이용했기 때문인 것으로 사료된다.
- 물론 수축현상을 고려하지 않는다면 이보다 각 다중화 영역을 확대할 수 있을 것이다. 이러한 각골리머 회전 다중화에서 66mJ/cm2 의 사전노출량이 필요함을 알 수 있었고 누적격자강도에 대한 다항식 최적조절을 2차례 적용하여 각 홀로그램에 대한 적절 노출시간을 얻을 수 있었고 이를 이용해 그림 8과 같이 회절효율이 비교적 균일한 130개의 홀로그램을 저장할 수 있었다. 그러나 3개의 다른 각의 위치로 이동 과정에서의 원활하지 못한 결과를 볼 수 있다.
후속연구
- 이러한 다중화의 결합방법은 두 개의 모터의 정지와 시작과정에서 시간적 오차와 기계적 진동도 고려되어야 할 것이다. 이러한 문제를 해결하여 동일노광량 기록 당시와 노출계획 수립 후 분배된 노광량에의한 기록 당시의 모든 시스템의 조건이동 일해야만 보다 균일한 회절 효율을 얻을 수 있을 것이다. 이러한 다중화 방법은 입사되는 두 레이저 빔의 위치를 고정시키고 포토폴리머를 두 개의 서로 수직인 축을 중심으로 회전하여 Bragg 각을 변화시키는 것이다.
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