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문제 정의
- 본 연구에서는 BOES 광섬유부분의 제작 과정에서 사용하였던 V자 홈의 제작과 광섬유의 연마, 설치 방법을 제시하였다. 이것은 천문 관측기기 제작에서 광섬유의 활용도가 높아가는 상황에서 차후 다중 고분산 분광기를 비롯하여 광섬유를 이용한 측정기기를 개발하려는 사람에게 도움이 될 것으로 생각한다.
가설 설정
- 10) 연마봉을 아세톤에 담가 2시간 정도 지나면 접착제는 녹아 없어지고 연마된 광섬유만 남게 된다.
- 11) 연마가 끝난 광섬유는 테프론 테이프로 감싸 연마면을 보호한다.
- V자 홈의 각도를 유지하는 것과 3) 놓인 광섬유 높낮이가 굵기가 같은 광섬유 별로 일치해야 하는 것이다.
제안 방법
- 1) 끈을 이용하여 망원경 뒷단 CIM의 광섬유 입구 부근에서 망원경 케이블 트위스트와 망원경 지지 기둥(pier)를 거쳐 2층 분광실 광섬유 출구까지의 거리를 약간 여유있게 측정하여 광섬유 길이를 18.5 m로 결정하였다.
- 10 μm 정도의 정밀도가 요구되는 광섬유 입구와 출구의 V자 홈 제작, 표면의 경면 연마와 코팅은 국내 업체에서 수행하였다. 광섬유의 끝단면 연마와 광섬유 설치는 보현산천문대에서 자체적으로 하였다.
- 80 μm 광섬유는 고분해능 관측과 BOES 카메라 초점 조절에 사용되며, 200과 300 μm 광섬유가 주로 관측에 활용되는데, 300 μm 광섬유는 행성상 성운처럼 주로 어두운 퍼진 천체(extended objects) 관측용으로 사용한다. 200 μm과 300 μm 광섬유가 두 개씩 있는 것은 하나는 관측 대상용이고 다른 하나는 배경 하늘 관측용으로, 한번의 노출로 배경하늘 보정을 할 수 있도록 설계하였다. 이들은 카세그레인 초점에서 서로 6 mm(시야 1.
- 7) 광섬유 출구 앞에 CCD를 설치하고 망원경을 통해 1등성 정도의 밝은 별을 각 광섬유에 넣어주고 CCD 상을 보면서 초점비 나빠짐이 어느 정도인지와 함께, 최종적으로 광섬유 입구 V자 홈 방향의 성공적인 설치 여부를 확인한다. 방향이 잘못된 광섬유는 광섬유 출구에서 빛이 그림 5와 같이 반지 모양으로 나오게 된다.
- 그러나 크기가 줄어들면 그만큼 윗 덮개와 아래 판의 홈 위치 정밀도가 높아야 한다. 80, 200, 300 μm 광섬유 자체 크기는 버퍼를 포함하여 지름이 각각 102, 240, 370 μm 정도 (10 % 오차)이기에 이 구멍 지름을 각각 170, 320, 450 μm으로 하였다. 이것은 시야각으로 2.
- BOES에서 광섬유는 코어 직경 300 μm (시야 4.3 각초) 짜리 두 개 (광섬유 #1과 #2), 200 μm (시야 2.9 각초) 짜리 두 개 (광섬유 #3과 #4)와 80 μm (시야 1.1 각초)짜리 한 개 (광섬유 #5)를 설치하여 관측 목적에 따라 광섬유를 선택할 수 있도록 하였다. 80 μm 광섬유는 고분해능 관측과 BOES 카메라 초점 조절에 사용되며, 200과 300 μm 광섬유가 주로 관측에 활용되는데, 300 μm 광섬유는 행성상 성운처럼 주로 어두운 퍼진 천체(extended objects) 관측용으로 사용한다.
- 그러나 이 경우에는 연마된 광섬유 끝을 상하지 않으면서 구멍 사이에 정확히 위치시키는데 큰 어려움이 있다. BOES에서는 V자 홈 위에 광섬유를 놓고 에폭시 접착제로 고정한 다음 윗덮개를 덮는 방식으로 처리하였으며 V 자홈 끝 단면 자체를 슬릿 모니터링을 위해 8도 기울어진 거울로 만드는 방식으로 광섬유 입구를 설계, 제작하였다 (그림 1). 연마된 거울면이 부식되지 않도록 V자 홈은 스테인레스로 제작하였으며 반사율을 높이도록 알루미늄 코팅을 하고 그 위에 SiO2 하드코팅을 덧씌워 연마면과 알루미늄 코팅이 상하지 않도록 하였다.
- 눌러 지지하도록 되어있다. 광섬유 길이에 따른 하중도 광섬유에 직접 작용하지 않고 테프론 관과 고정용 지지판에만 작용하도록 하였다. 이들 테프론 관은 열팽창율이 높아 광섬유 입구에서 출구까지 하나의 관으로 연결하면 여름과 겨울의 온도차에 의한 열팽창, 수축으로 인해 광섬유에 압력을 가하게 된다.
- 광섬유 배치는 광섬유 입구 V자 홈 한쪽 끝단에서 10, 16 mm 되는 곳에 300 μm 광섬유(광섬유 #1과 #2)를, 26, 32 mm 되는 곳에 200 μm 광섬유(광섬유 #3과 #4)를, 42 mm 되는 곳에 80 μm 광섬유(광섬유 #5)를 두었다. 이것은 슬릿 모니터링 CCD가 보는 광섬유 입구 면적이 11 × 11 mm인 것을 고려한 것이다.
- 광섬유 입구 윗덮개에도 아래쪽 V자 홈의 광섬유 위치와 정확히 같은 곳에 작은 반원형 홈을 내어 이 사이에 광섬유를 넣을 수 있도록 하였다. 이 윗덮개 구멍의 크기가 크면 광섬유를 넣기는 쉬우나 슬릿 모니터링에서 별의 위치를 확인할 수 없는 면적이 커지기 때문에 이 구멍 크기를 가능한 한 줄이는 것이 필요하다.
- 광섬유 입구와 출구의 V자 홈은 광섬유로 직접 연결되어 있어 CIM이 이동해도 광섬유 입구가 부착된 슬릿 어셈블리를 같이 이동할 수 없기에 슬릿 어셈블리와 광섬유 입, 출구 V자 홈은 각각 2조씩 준비하였다. 광섬유 출구에서는 2개의 V자 홈을 위 아래로 배치하고, 마이크로미터를 이용하여 수동으로 높이 조절함으로써 광섬유 출구 V자 홈을 선택할 수 있게 하였다.
- 이를 위해 윗덮개와 아래 V자 홈을 틈이 거의 없는 작은 핀으로 박아 정밀히 고정하고 한꺼번에 연마한 후, 광섬유를 넣고 윗덮개를 닫은 후 다시 핀을 꼽으면 원래 위치에 와서 다시 하나의 거울 평면이 되도록 하였다. 광섬유를 광섬유 입구에 넣을 때는 현미경으로 보면서 광섬유 끝단이 거울면과 일치하도록 하였다.
- 수행하였다. 광섬유의 끝단면 연마와 광섬유 설치는 보현산천문대에서 자체적으로 하였다.
- 레이저만 사용하면 레이저 광속 지름에 비해 광섬유 면적이 너무 작아서, 레이저 빛 중 극히 일부만 들어와 광량이 너무 작아진다. 레이저 광량 모두를 이용하기 위하여 광속 확대기로 레이저 광속 직경을 30 mm로 키운 뒤에 렌즈로 집광하는 방식을 사용하였다. 집광 렌즈는 확대된 레이저 광속을 f/8로 집광되도록 하기 위하여 촛점 거리가 240 mm 정도인 렌즈를 선택하였다.
- 이것은 천문 관측기기 제작에서 광섬유의 활용도가 높아가는 상황에서 차후 다중 고분산 분광기를 비롯하여 광섬유를 이용한 측정기기를 개발하려는 사람에게 도움이 될 것으로 생각한다. 아울러 BOES의 광섬유 시스템의 성능을 살펴보고, 차후 개선 방안을 제시하였다.
- BOES에서는 V자 홈 위에 광섬유를 놓고 에폭시 접착제로 고정한 다음 윗덮개를 덮는 방식으로 처리하였으며 V 자홈 끝 단면 자체를 슬릿 모니터링을 위해 8도 기울어진 거울로 만드는 방식으로 광섬유 입구를 설계, 제작하였다 (그림 1). 연마된 거울면이 부식되지 않도록 V자 홈은 스테인레스로 제작하였으며 반사율을 높이도록 알루미늄 코팅을 하고 그 위에 SiO2 하드코팅을 덧씌워 연마면과 알루미늄 코팅이 상하지 않도록 하였다.
- 이를 위해 윗덮개와 아래 V자 홈을 틈이 거의 없는 작은 핀으로 박아 정밀히 고정하고 한꺼번에 연마한 후, 광섬유를 넣고 윗덮개를 닫은 후 다시 핀을 꼽으면 원래 위치에 와서 다시 하나의 거울 평면이 되도록 하였다. 광섬유를 광섬유 입구에 넣을 때는 현미경으로 보면서 광섬유 끝단이 거울면과 일치하도록 하였다.
- 차단 장치에 넣는다. 테프론관의 총 길이는 V자 홈과 열팽창 차단장치 길이 만큼 짧게 하여 광섬유 양 끝단에서는 광섬유가 노출된 채로 V자 홈에 고정될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 그러나 모세관 방식이나 페룰 방식은 그 두께 때문에 좁은 영역에 많은 광섬유를 설치해야 하는 경우에는 사용하기 어렵다. BOES 에서는 망원경에서 모아진 별빛이 광섬유로 들어가는 부분인 광섬유 입구(fiber input)나 광섬유를 통과한 별빛이고 분산 분광부로 나가는 부분인 광섬유 출구(fiber exit) 모두에서 페룰 대신 V자 홈(V groove)이 파진 판을 사용하였다. V자 홈에 광섬유를 설치하면 광섬유가 V자 홈의 두 접점에서만 닿게 됨으로써 광섬유에 과도한 힘이 전달되지 않는다.
- BOES에서 사용한 광섬유는 Polμmicro Technologies의 STU(Sch6tz et al., 1998)이며 버퍼 (buffer)는 폴리아미드 (polyamide)로 된 것을 택하였다.
- 여기서 점선은 대기소광을 보정하기 전 효율이며 실선은 보현산 표준 대기 소광계수(김강민외 1997)를 적용하여 대기보정을 한 것이다. 관측일도 아주 맑은 날은 아니어서 그날 자료에서 파장별 대기 소광 계수를 구하는 것이 어려워 쾌청한 날에 구한 자료를 이용하였다. 따라서 BOES의 실제 효율은 이보다는 많이 높을 것으로 추정된다.
- 이것은 실험실 시험에도 이용하지만 2층과 4층 사이의 광섬유가 파손될 경우에 대체용으로도 활용할 수 있다. 광섬유 입구와 출구의 V자 홈은 광섬유로 직접 연결되어 있어 CIM이 이동해도 광섬유 입구가 부착된 슬릿 어셈블리를 같이 이동할 수 없기에 슬릿 어셈블리와 광섬유 입, 출구 V자 홈은 각각 2조씩 준비하였다. 광섬유 출구에서는 2개의 V자 홈을 위 아래로 배치하고, 마이크로미터를 이용하여 수동으로 높이 조절함으로써 광섬유 출구 V자 홈을 선택할 수 있게 하였다.
- 400 nm 부근에서 광섬유 투과율이 불연속으로 나타나는 것은 400 nm 보다 짧은 파장의 빛과 긴 파장의 빛에서의 감쇄율 측정 방식이 다르기 때문이다(Nelson, 2004). 여기서 STU-D는 STU와 같은 물성이나 OH 성분이 작은 특성을 가지고 있으며 건조(dry)하다는 의미로 D 첨자를 붙인 것인데 650 nm 부근에서 투과율의 저하를 보이기에 BOES에서는 STU-D 대신 STU 광섬유를 사용하였다. FBP 광섬유는 STU보다 단파장에서의 투과율을 개선하여 줄시되고 있는 광섬유로 차후 BOES에서 광섬유 개선할 때를 대비하여, 보현산천문대에서는 150, 200, 300 μm 굵기의 FBP 광섬유를 확보하고 있다.
- 레이저 광량 모두를 이용하기 위하여 광속 확대기로 레이저 광속 직경을 30 mm로 키운 뒤에 렌즈로 집광하는 방식을 사용하였다. 집광 렌즈는 확대된 레이저 광속을 f/8로 집광되도록 하기 위하여 촛점 거리가 240 mm 정도인 렌즈를 선택하였다.
이론/모형
- 광섬유 지지는 결국 이 관을 마운트하는 방식인데, 그동안 국내에서도 한 두 개의 광섬유를 사용하는 경우에는 이러한 방식을 이용하였다. ESO 천문대 2.2 m 망원경에 설치된 FEROS(Kaufer, 1997) 분광기에서는 광섬유 통신에서 흔히 사용하는 방식인 페룰을 채용하였다. 그러나 모세관 방식이나 페룰 방식은 그 두께 때문에 좁은 영역에 많은 광섬유를 설치해야 하는 경우에는 사용하기 어렵다.
- 이때 광섬유에 압박이 가해지면 초점비 나빠짐으로 인한 빛 손실이 커지기 때문에 광섬유에 힘이 최소한도로 가해지도록 주의해야 한다. 이를 위해 FEROS에서는 V자 홈 위에 광섬유를 놓고, 그위를 고무패드를 덮고 고무 밴드로 동여 고정하는 방법(Kaufer, 2000) 을 사용하였다. 그러나 이 방법은 고무패드가 압력을 주어 광섬유가 힘을 받을 우려(Zajac, 2001)가 있다.
성능/효과
- 6) 이들 다섯 개 광섬유 빛 자국 중심의 평균 위치가 주경 중심 구멍 중앙에 오도록 광섬유 입구 V자 홈의 방향을 조정한 다음, 다시 각 광섬유 자국의 중심을 찾는 작업을 결과가 만족스러울 때까지 반복한다. 레이저 자국들이 망원경 광축 주위에 모이게 되면 광섬유 입구 V자 홈을 고정한다.
- 7) 연마봉과 래핑 필름 사이의 연마되는 부분에는 증류수에 액체 비누를 섞은 윤활제를 연마 중 계속 뿌려주어 접착제가 깨지지 않도록 한다.
- 방향이 잘못된 광섬유는 광섬유 출구에서 빛이 그림 5와 같이 반지 모양으로 나오게 된다. 광섬유가 망원경 광축에 있을 때는 BOES의 모든 광섬유에서 좋은 결과를 얻었다. 광섬유를 슬릿 모니터링이 가능한 +/- 4 mm 만큼 망원경 광축에서부터 밖으로 이동시키면서 확인해 보아도 광섬유 #3이 망원경 광축에서 +2 mm 보다 벗어나 있는 경우를 제외하고는 모두 좋은 결과를 보여주었다.
- 광섬유가 망원경 광축에 있을 때는 BOES의 모든 광섬유에서 좋은 결과를 얻었다. 광섬유를 슬릿 모니터링이 가능한 +/- 4 mm 만큼 망원경 광축에서부터 밖으로 이동시키면서 확인해 보아도 광섬유 #3이 망원경 광축에서 +2 mm 보다 벗어나 있는 경우를 제외하고는 모두 좋은 결과를 보여주었다. 그러나 200 μm 광섬유 두 개를 모두 사용할 때, 광섬유 #3은 광축에서 - 방향으로 이동해야 하므로 실제 관측에서 이것이 문제될 가능성은 전혀 없다.
- 그러나 200 μm 광섬유 두 개를 모두 사용할 때, 광섬유 #3은 광축에서 - 방향으로 이동해야 하므로 실제 관측에서 이것이 문제될 가능성은 전혀 없다. 따라서 광섬유 지향 방향, 즉 광섬유 설치에는 문제가 없는 것을 확인하였다.
- 1 각초에 불과하여 그림 6과 7에서 보듯이 광섬유 입구에서의 빛 손실이 너무 크다. 이를 해결하는 방안으로 150 μm 광섬유를 설치하면 추정 분해능은 53,000이고, 시야각은 2.1 각초가 되어 80 μm 광섬유에 비해 빛 손실도 줄이고 적절한 분해능도 얻을 수 있다.
후속연구
- 이것은 천문 관측기기 제작에서 광섬유의 활용도가 높아가는 상황에서 차후 다중 고분산 분광기를 비롯하여 광섬유를 이용한 측정기기를 개발하려는 사람에게 도움이 될 것으로 생각한다. 아울러 BOES의 광섬유 시스템의 성능을 살펴보고, 차후 개선 방안을 제시하였다.
- 차후 BOES의 광섬유를 개선할 때에는 200과 300 μm 광섬유는 모두 하나만 설치하고 대신 150 μm 광섬유를 추가로 설치할 계획이다. 현재 BOES의 파장 분해능은 300, 200, 80 μm 광섬유에서 각각 30,000, 45,000과 90,000이 되는데 요오드 통을 활용하여 성진(asteroseismology)연구 등 정밀 시선속도 측정을 위해서는 파장 분해능이 50,000이 넘어야 한다(Butler 외, 1996).
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