[논문]펨토초 레이저를 이용한 형상 측정용 비동일 광경로 저결 맞음 간섭계

오정석; 김승우

펨토초 레이저를 이용한 형상 측정용 비동일 광경로 저결 맞음 간섭계
Unequal-path Low-coherence Interferometry Using Femtosecond Pulse Lasers for Surface-profile Metrology 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.9 = no.186, 2006년, pp.102 - 110

오정석 (한국기계연구원 지능기계연구센터) , 김승우 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We discuss two possibilities of using femtosecond pulse lasers as a new interferometric light source for enhanced precision surface-profile metrology. First, a train of ultra-fast laser pulses yields repeated low temporal coherence, which allows unequal-path scanning interferometry, which is not feasible with white light. Second, the high spatial coherence of femtosecond pulse lasers enables large-sized optics to be tested in nonsymmetric configurations with relatively small-sized reference surfaces. These two advantages are verified experimentally using Fizeau and Twyman-Green type scanning interferometers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 지금까지 주로 미세형상의 측정에만 사용되었던 저결맞음 간섭계의 응용범위를 대영역 형상 측정으로 확장하기 위하여 새로운 광원으로 펨토초 레이저를 제안하였으며, 펨토초 레이저의 주기적인 낮은 시간결맞음성 및 높은 공간 결맞음 성이 대영역 형상 즉정에서 가지는 유용성 및 장점을 피죠 및 트와이만-그린 형식의 주사 간섭계를 통하여 실험적으로 검증하였다.

제안 방법

3(b)에 나타낸 트와이만-그린 간섭계의 구성을 이용하였다. 공간 결맞음 성이 낮은 할로겐 램프와의 비교를 위해 동일광경로0, =Z, )로 구성하였으며 기준면과 측정 면의 곡률의 차이를 이용하여 간섭계에 비대칭성을 부여하였다. 측정 구면거울은 곡률반경 200 mm, 직경 50 mm, 기준 구면거울은 곡률 25 mm, 직경 25 mm 의 알루미늄 거울이 사용되었으며 기준부와측정부의 분산을 일치시키기 위하여 동일한 대물렌즈(Mitutoyo, M Plan NIR 10X)를 사용하였 다.
반복율의 변화와 간섭신호의 변화 간의 관계를 관찰하기 위해 반복율과 동시에 CCD 임의의 화소에서의 광강도 변화를 동시에 관찰하였다. 측정 위치는 Fig.
넓은 파장대역으로 인해 시간 결맞음 길이가 매우 짧기 때문에 기준면과 측정면의 상대 거리를 공진기 길이의 정수 배로 한번에 조정하여 간섭무늬를 얻는 것은 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위하여 헬륨네온 레이저를 이용하여 간섭무늬를 일단 형성하고 반측폭(FWHM)이 1.5 nm 인 간섭필터를 사용하여 측정면의 광축 방향 위치를 어느 정도 정렬한 후 미세 정렬을 수행하였다.
정점 검출에 있어 본 연구는 새로운 방법을 제안하기 보다는 투명 평행판을 이용하여 얻은 간섭 신호에 기존의 두 방법을 적용하여 그 영향을 비교하였다.
측정 위치는 Fig. 10 에 나타낸 것처럼 가시도가 최대인 지점에서 평균 광강도를 가지는 위치로 고정하였으며 비교실험에서의 가시도의 차이에 의한 영향을 없애기 위해 강도 변화를 최대 광강도차 AImax 로나누어 정규화한 값을 사용하였다.

대상 데이터

공간 결맞음 성이 낮은 할로겐 램프와의 비교를 위해 동일광경로0, =Z, )로 구성하였으며 기준면과 측정 면의 곡률의 차이를 이용하여 간섭계에 비대칭성을 부여하였다. 측정 구면거울은 곡률반경 200 mm, 직경 50 mm, 기준 구면거울은 곡률 25 mm, 직경 25 mm 의 알루미늄 거울이 사용되었으며 기준부와측정부의 분산을 일치시키기 위하여 동일한 대물렌즈(Mitutoyo, M Plan NIR 10X)를 사용하였 다.
피죠 간섭계의 기준면을 주사하기 위한 스테이지로는 정전용량형 센서(capacitive sensor)에 의해 귀환 제어 되는 PI 사의 3 축 PZT 스테이지인 P- 517.3CL 모델을 사용하였다. 동일 광경로 조건을 필요로 하는 백열광원의 경우 피죠 간섭계에 적용하는 것이 매우 힘든 것에 비해 펨토초 레이저의 경우 측정면이 기준면에 비해 2 m 떨어진 비동 일광 경로 조건에서도 깨끗한 저결맞음 간섭 신호를 손쉽게 획득할 수 있음을 알 수 있다.

성능/효과

8(b)는 위상정점 검출법을 이용해 계산된 프로파일을 각각 보여 준다. 결과에서 확연히 드러나듯이, 위상정점을 이용한 결과는 평균제곱근(root mean square) 3.1 nm 의 상당히 부드러운 결과를 보였으나 가시도 정점을 이용한 결과는 평균제곱근 13.2 nm 로 요동이심 한 결과를 보였다. 두 결과의 차이는 간섭 신호에서 주사거리에 따른 가시도의 변화보다는 위상의 변화가 급격한 것에 따른 민감도의 차이로 설명될 수 있으며 백색광 주사간섭계에서도 비슷하게 관찰되는 현상이다 m
동일 광경로 조건을 필요로 하는 백열광원의 경우 피죠 간섭계에 적용하는 것이 매우 힘든 것에 비해 펨토초 레이저의 경우 측정면이 기준면에 비해 2 m 떨어진 비동 일광 경로 조건에서도 깨끗한 저결맞음 간섭 신호를 손쉽게 획득할 수 있음을 알 수 있다. 기준면을 주사함에 따른 기준광의 광경로 변화는 주사 거리의 두 배에 해당함을 감안하면, 간섭신호의 정현 변화성분의 주기는 약 400 nm 로 펨토초 레이저의 중심파장의 절반과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 간섭신호의 가시도를 보면 주 로브(main lobe)를 기준으로 약 15 卩m 의 광경로 변화에 대해 간섭 신호를 형성하고 있음을 알 수 있다.
첫 번째, 펨토초 레이저는 주기적인 낮은 시간결맞음성을 가지고 있어 기존의 백열광원으로는 불가능하였던 비동일 광경로저결맞음 간섭계를 구성할 수 있다. 두 번째, 펨토초 레이저의 높은 공간결맞음성은 비대칭적인 간섭계 구성을 가능하게 하여 상대적으로 작은 기준면을 가지고도 큰 면적의 형상을 측정할 수 있다.
형상 측정에 매우 적합한 광원이다. 본 연구에서는 펨토초 레이저를 이용하여 기존의 백열 광원으로는 힘들었던 저결맞음 피죠 간섭계를 구현하였고 비대칭적 트와이만-그린 간섭계 구조하에서도 가시도가 높은 우수한 저결맞음 간섭무늬를 얻을 수 있음을 보였다. 한가지의 작은 단점은 높은 공간결맞음성으로 인해 먼지나 표면결함에 의한 회절 링이 측정결과에 관찰된다는 것이나 이는 위상정점을 이용함으로써 그 영향을 최소화 할 수 있다.
온도 제어는 이루어지지 않은 상태에서 온도는 0.63 ° C 감소하였고 반복율은 239 Hz 상승하였다. 공진기 길이 변화는 온도 변화와는 비례하고 반복율 변화와는 반비례하므로 온도 변화와 반복율 변화는 서로 반비례해야 하며 측정결과는 이러한 경향을 잘 보여 주고 있다.
매우 적합한 광원이다. 첫 번째, 펨토초 레이저는 주기적인 낮은 시간결맞음성을 가지고 있어 기존의 백열광원으로는 불가능하였던 비동일 광경로저결맞음 간섭계를 구성할 수 있다. 두 번째, 펨토초 레이저의 높은 공간결맞음성은 비대칭적인 간섭계 구성을 가능하게 하여 상대적으로 작은 기준면을 가지고도 큰 면적의 형상을 측정할 수 있다.

후속연구

트와이만-그린 간섭계에서도 큰 곡률의 구면을 측정할 경우 기준면도 광분할기에 대해 멀리 떨어져 있어야 하는 문제를 초래하게 된다. 두 번째는, 주로 광원의 크기가 큰 할로겐 램프 등의 백열 광원을 사용할 때 발생하는 문제로, 광원의 낮은 공간 결맞음 성으로 인해 피죠 간섭계에서는 기준면과 측정 면 사이의 갭 간격에 제약이 가해지고, 트와이만-그린 간섭계에서는 간섭계가 광분할기를 기준으로 대칭적으로 구성되어야 한다는 제한점을 가진다." 공간결맞음성을 개선하기 위해서는 핀 홀이나 단일모드 광섬유 등의 공간필터를 사용할 수 있으나 광효율을 크게 떨어뜨리는 단점을 가지고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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