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제안 방법
- 6 은 제작된 5㎛ 간격을 가지는 회절 격자의 회절 각과 회절 효율의 실험값과 계산 값을 표시한 그래프이다. 5μm 격자 간격을 가지는 회절격자의 회절 무늬는 0 차부터 6 차까지 회절 각 과 0 차부터 5 차까지의 회절 효율을 측정하였다. Fig.
- FZP 의 제작은 회절 격자의 제작과 동일하게 펄스들이 중첩될 정도로 천천히 이동하는 방법으로 실리카 표면에 20 배율(NA=0.4) 대물렌즈를 사용하여, 0.1mm/s 의 속도, 4.98 nJ 의 펄스 에너지로 제작하였고, 제작된 FZP 들은 각각 3mm 정도의 직경을 가지고 있다. 제작된 FZP 의 최 외곽 윤대들의 간격은 약 3㎛ 정도이며, 각 250 개가 넘는 zone 을 가공하였다.
- 광학계에서 널리 쓰이는 실리카 표면에 열적 현상이 적고 미세가공에 장점이 있는 펨토초 레이저를 사용하여 2um 와 5pm 의 격자 주기를 가지는 미세한 회절 격자와 25mm 와 50mm 의 초점거리를 가지는 FZP 를 펨토초 레이저를 사용하여 실리카 표면에 직접 제작하였다. 가공 방법은 펄스들이 중첩될 정도로 천천히 이동하는 스캐닝 기법을 사용하였다.
- 투과 평 면에서 광세 기 분포에 의한 강도의 1/e2 위치에서 빔 크기를 결정하는 Knife edge 방법을 적용할 수 없었다. 그러므로 빔 크기를 결정하기 위해 FZP 에 의해 생성된 초점 크기 변화를 진행거리에 따라 관측하여 빔의 크기가 제일 작은 위치를 측정하는 방법을 통해 집속된 빔의 초점 위치와 빔 크기를 결정하였다. 빔형상 측정기에 사용된 CCD 는 Pulnix TM-745E 를 사용하였으며, 13um 의 화소 크기를 가지기 때문에 빔 크기 측정 오차는 약 13um 정도 이다.
- 기본적인 광학 소자인 회절 격자를 실리카 표면에 펨토초 레이저를 사용하여 2µm, 5 µm 격자 간격으로 제작하였다. Fig.
- 또한, 제작된 회절 격자의 회절 각과 회절 효율을 실험적으로 측정하여 회절 격자의 선폭과 주기 등의 인자들을 이용하여 얻은 전산모사 결과와 비교 분석하고, FZP 의 빔 형상을 분석하여 초점 부근에서의 레이저 빔의 크기를 구하였고 초점거리를 실험을 통해 확인하였다.
- 그러나 그들의 연구 결과들은 FZP 의 윤대 수가 작으며 FZP 의 해상도를 결정하는 최외곽 윤대들의 크기가 커서 정밀한 FZP 제작이 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 실리카 표면에 펨토초 레이저 가공 기술을 이용하여 150 개 이상의 많은 수의 윤대를 가지며 최외곽 윤대의 크기가 3mm 정도로 매우 미세하고 정밀한 FZP 를 제작하였다. 4mm 의 크기를 가지며 초점거리가 각각 25mm 와 50mm 두 가지 종류의 FZP를 제작하였다.
- 이러한 형상 변화에 의한 회절격자의 효율을 계산하기 위하여 위상 변화의 푸리에 변환을 수행하여각 차수의 진폭을 계산함으로서 원격장에서 회절 효율을 계산할 수 있다. 본 논문에서는 이전에 보고된 논문에서 사용한 방법으로 7 회절 격자의 선폭과 주기 등의 인자들을 이용하는 분석 방법을 사용하였다. 표면 제거 형상은 공간 주기 함수(K) 로서 다음과 같이 푸리에 급수로 나타낼 수 있다.
- 빔의 세기는 500:1 로 편광된 He-Ne 레이저의 특성을 이용하여 편광기와 빔 감쇄기를 사용하여 감소시켰다. 빔의 초점거리의 특성 측정은 마이크로미터를 사용하여 FZP 의 초점거리가 25mm 경우는 17mm 부터 36mm 까지, FZP 의 초점거리가 50mm 인 경우는 38mm 부터 63mm 까지 1mm 씩 움직이면서 측정하였다.
- 제작된 회절격자의 회절각과 회절 효율 특성을 MatLab 으로 전산모사 한 결과와 유사하게 일치함을 보였다. 이 결과를 응용하여 회절 광학 소자 중 기본인 FZP 를 펨토초 레이저로 실리카 표면에 같은 방법으로 직접 제작하여, 빔 형상을 거리에 따라 측정하였다. 초점거리가 25mm 인 FZP 는 24mm 의 초점거 리, 66 u m 의 빔 크기 와 6.
- 4mm 의 크기를 가지며 초점거리가 각각 25mm 와 50mm 두 가지 종류의 FZP를 제작하였다. 초점거리에서 70mm 의 초점 크기를 가지는 것을 거리에 따른 빔 세기 및 빔 형상 변화를 통하여 확인하였다.
- 펨토초 레이저를 이용한 회절격자 제작 기술을 이용하여 광학계에서 기본이 되면서 여러가지 폭넓 은 응용 분야를 가지고 있는 FZP 를 제작하였다. Table 1은 He-Ne(파장 632.
- 3mmX3mm 정도의 크기로 제작된 회절 격자에 들어간 빔은 회절 효과에 의하여 회절 무늬가 스크린에 나타나게 된다. 회절 격자 샘플과 스크린 사이의 거리는 100mm 이고, 회절 각 측정을 위해 버니어캘리퍼스로 희절 차수들의 거리 값을 측정하였으며, 같은 거리에서 스크린 대신 레일 위에 PD(Photo Diode)를 설치하여 오실로스코프로 회절 무늬들의 세기를 측정하여 회절 효율을 구하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 실리카 표면에 펨토초 레이저 가공 기술을 이용하여 150 개 이상의 많은 수의 윤대를 가지며 최외곽 윤대의 크기가 3mm 정도로 매우 미세하고 정밀한 FZP 를 제작하였다. 4mm 의 크기를 가지며 초점거리가 각각 25mm 와 50mm 두 가지 종류의 FZP를 제작하였다. 초점거리에서 70mm 의 초점 크기를 가지는 것을 거리에 따른 빔 세기 및 빔 형상 변화를 통하여 확인하였다.
- 본 연구에서는 2iim 와 5pm 의 격자 주기의 미세한 회절 격자와 25mm 와 50mm 의 초점거리를 가지는 FZP 를 펨토초 레이저를 이용하여 화학적 공정없이 실리카 표면에 직접 제작하였다. 또한, 제작된 회절 격자의 회절 각과 회절 효율을 실험적으로 측정하여 회절 격자의 선폭과 주기 등의 인자들을 이용하여 얻은 전산모사 결과와 비교 분석하고, FZP 의 빔 형상을 분석하여 초점 부근에서의 레이저 빔의 크기를 구하였고 초점거리를 실험을 통해 확인하였다.
- 그러므로 빔 크기를 결정하기 위해 FZP 에 의해 생성된 초점 크기 변화를 진행거리에 따라 관측하여 빔의 크기가 제일 작은 위치를 측정하는 방법을 통해 집속된 빔의 초점 위치와 빔 크기를 결정하였다. 빔형상 측정기에 사용된 CCD 는 Pulnix TM-745E 를 사용하였으며, 13um 의 화소 크기를 가지기 때문에 빔 크기 측정 오차는 약 13um 정도 이다. Fig.
- 만들어진 FZP 가 고안된 초점거리에서 거의 정확하게 빔을 모아주는 역할을 하는 것을 실험적으로 확인하였다. 실험에 사용된 빔 형상 측정기가 매우 민감해서 측정 시 He-Ne(파장 632.8nm) 레이저에서 나온 빔의 세기를 3.5mW 까지 줄여서 빔 형상을 측정하였다. 빔의 세기는 500:1 로 편광된 He-Ne 레이저의 특성을 이용하여 편광기와 빔 감쇄기를 사용하여 감소시켰다.
- 펨토초 레이저의 사양은 785nm 의 중심파장, 184fs 의 펄스폭, 1kHz 의 반복률을 가지며 최대출력이 1W 이다. 실험에 사용된 스테이지의 X, y 축은 선형 모터 스테이지, 300mmX300mm 의 가공범위, 20nm 의 정밀도, 20mm/s 의 최대 속도를 가지고 있으며, z 축은 ballscrew 스테이지로 200mm 의 범위 0.5 U m 의 정밀도, 20mm/s 의 최대 속도를 가지고 각각 독립적으로 구동된다.
- 회절 격자들의 가공을 위하여 레이저 빔을 50 배율 대물렌즈(NA=0.42)를 사용하여 실리카 표면에 집광하여 0.1mm/s 가공속도, 2.12pJ 펄스 에너지, 3mmX3mm 의 크기로 제작되었다. CCD(Charge-Coupled Device) 카메라로 실시간 모니터링 하여 실리카 샘플의 수평을 잡고 샘플이 장착된 스테이지를 펄스들이 충분히 중첩될 만큼 천천히 일정한 속도로 이동하여 일정한 간격으로 회절 격자를 제작한다.
- 2는 제작된 회절 격자의 회절 무늬, 회절 각과 회절 효율을 측정하기 위한 장치 모식도이다. 회절 효율 측정을 위해 He-Ne 레이저(632.8nm 파장)를 광원으로 사용하였다. He-Ne 레이저 출력을 감쇄하고 2.
이론/모형
- 표면에 직접 제작하였다. 가공 방법은 펄스들이 중첩될 정도로 천천히 이동하는 스캐닝 기법을 사용하였다. 제작된 회절격자의 회절각과 회절 효율 특성을 MatLab 으로 전산모사 한 결과와 유사하게 일치함을 보였다.
- FZP 에 의해 집속된 레이저 빔의 공간 프로파일은 가우시안 빔의 형태를 가지 지 않아 .투과 평 면에서 광세 기 분포에 의한 강도의 1/e2 위치에서 빔 크기를 결정하는 Knife edge 방법을 적용할 수 없었다. 그러므로 빔 크기를 결정하기 위해 FZP 에 의해 생성된 초점 크기 변화를 진행거리에 따라 관측하여 빔의 크기가 제일 작은 위치를 측정하는 방법을 통해 집속된 빔의 초점 위치와 빔 크기를 결정하였다.
- 회절 격자 제작을 위하여 고등광기술연구소가 보유하고 있는 펨토초 레이저 가공 시스템을 이용하였다. 펨토초 레이저의 사양은 785nm 의 중심파장, 184fs 의 펄스폭, 1kHz 의 반복률을 가지며 최대출력이 1W 이다.
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