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제안 방법
- 그림 7은 제작된 샘플의 빔 방사 분포도를 측정한 이미지이다. 650 nm의 파장을 가지는 Fiber checker (VFL-250)를 사용하여 빔을 광섬유에 입사시키고 측면에 스크린을 설치하여 측정하였다. 디지털카메라(Canon, 550D)를 이용하여 기록하였으며 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 35°와 45° 두 가지의 샘플을 각각 측정하였다.
- 광섬유 끝단에 펨토초 레이저와 CO2 레이저의 가조건을 조절하여 원뿔의 각을 35°와 45° 두 가지 샘플을 제작하여 투과방식으로 측정하였다.
- 디지털카메라(Canon, 550D)를 이용하여 기록하였으며 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 35°와 45° 두 가지의 샘플을 각각 측정하였다.
- 본 논문에서는 직경 125 μm 싱글모드 광섬유의 전반사 조건을 이론적으로 해석하고 그 값을 토대로 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 선행논문에서 발표한 의료용 광섬유 팁 가공기술이나 펨토초 레이저와 Arc 방전을 통하여 광섬유 팁을 제작하였던 결과를 바탕으로[13-15] 펨토초 레이저와 CO2 레이저를 이용하여 광섬유 팁을 제작한 후 빔 프로파일을 비교하는 연구를 수행하였다.
- 71°의 발산각을 설정하고 1,000,000개의 추적광선을 방사시켰다. 또한 실제 실험과 같은 조건을 만들기 위하여 광섬유 끝단으로부터 5 cm 앞에서 평면 Receiver를 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 3은 시뮬레이션에서 모델링 된 원뿔형 구조물의 광도를 Receiver를 통해 얻은 Lum viewer와 레스터 도표로서 원뿔의 모선과 모선이 만다는 최대 각에 따라서 방사되는 빔 피로파일을 시각적으로 나타낸 이미지 이다.
- 또한 전반사 각을 넘어선 45°인 샘플 제작을 위해 레이저 빔의 출력, Z 축의 이동 거리를 각각 3.2 μJ, 5 μm로 변경하여 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 35°인 원뿔형 구조물을 제작하는 조건과 동일한 방법으로 제작하였다.
- 또한, 광섬유 끝단의 원뿔형 구조물의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 전반사가 가능한 35°와 전반사 각에 벗어나는 각 45°로 각각 모델링 하고, 원뿔의 각도에 따라 방사되는 차이를 비교하였다.
- 광섬유에 입사된 빔이 다방향 조사를 위해 스넬의 법칙(Snell’ Law)을 이용하여 계산된 전반사가 가능한 원뿔형 구조를 설계하였다. 먼저 빔이 코어로 입사되어 광섬유를 통해 이동할 수 있는 수광각의 범위를 구하기 위하여 개구수(Numerical aperture)를 먼저 계산하였다. 개구수를 구하는 식은 다음과 같이 정의된다.
- 먼저 펨토초 레이저를 이용하여 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 각각 35°와 45°인 원뿔형 구조를 제작하고 후공정으로 펨토초 레이저 가공 시 생기게 되는 원뿔 표면의 거칠기를 CO2 레이저 표면으로 연마하였다.
- 이렇게 가공된 광섬유 끝단의 원뿔 표면은 3~7 μm의 거칠기가 생기는데 이는 광섬유로 전달된 빔이 원뿔의 가공 면에서 산란 되어 반사도가 감소하고 빔이 손실되는 문제가 있다. 문제를 해결하기 위해 후공정으로 CO2 레이저를 이용하여 원뿔의 표면을 연마하였다. 원뿔형 구조물의 표면 연마에 사용된 CO2 레이저(모델명: ULR-30, Universal)의 중심파장은 10.
- 본 논문에서는 스넬의 법칙을 이용하여 광섬유에 입사된 빔이 끝단에서 원뿔형 구조물에 의해 전반사 되어 측면으로 방사되는 원뿔형 구조물의 수치를 계산하고, 그 값을 광학설계 프로그램인 LightTools 8.1 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이러한 결과값을 통하여 펨토초 레이저와 CO2 레이저를 이용하여 싱글모드 광섬유 끝단에 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 각각 35°와 45°인 샘플을 제작하여 방사 분포를 비교하였다.
- 본 논문에서는 직경 125 μm 싱글모드 광섬유의 전반사 조건을 이론적으로 해석하고 그 값을 토대로 시뮬레이션을 수행하였다.
- 다방향 조사 광섬유 팁을 시뮬레이션하기 위해서는 실제 광섬유와 광원, 그리고 원뿔의 모델링이 매우 중요하다. 본 시뮬레이션에서는 실제 실험과 동일한 조건으로 광섬유, 광원, 측정 장비의 조건을 모두 같도록 설정하여 실제 실험값과 비교하였다.
- 시뮬레이션 수행 조건은 광섬유의 입사부와 100 μm 간격을 두고 방사시켰으며, 650 nm의 파장을 갖는 빔을 12.71°의 발산각을 설정하고 1,000,000개의 추적광선을 방사시켰다.
- 그림 5는 실리카 기판에 원뿔형 구조물 제작 시 최초 직경 380 μm의 원가공의 가공조건과 동일한 조건으로 가공 후 원의 우측면을 광섬유 팁 연마 조건과 동일하게 CO₂ 레이저로 연마하여 측정한 200배 율의 광학현미경 이미지와, 연마 전과 후 각각의 표면 거칠기를 Confocal을 이용하여 500배 확대하여 측정한 이미지이다. 실리카 기판에 가공 후 거칠기를 측정한 이유는 광섬유 내부의 거칠기 측정은 깊은 경사를 비롯하여 애로사항이 많아 실리카 기판 표면에 가공 후 연마하여 측정하였다. 측정결과 연마 전 표면의 거칠기는 4.
- 앞선 계산과 시뮬레이션 결과를 토대로 광섬유의 직경 125 μm 인 싱글모드 광섬유의 끝단에 두 가지 공정과정을 통하여 원뿔형 구조물을 제작하였다.
- 앞선 식에서 계산된 값을 이용하여 ORA(Optical Research Associates)사의 LightTools 8.1 광학 설계 프로그램을 이용하여 원뿔형 구조의 측면 방사가 가능한 광섬유 팁을 설계하여 시뮬레이션을 진행하였다. 몬테카를로 방법에 근거하여 광선추적에 기반을 두고 있는 LightTools 8.
- 연마 방법은 0.05 sec 동안 포커싱(Focusing) 지점으로부터 60 μm 디포커싱(Defocusing) 후 2회 연마하고, 포커싱 지점으로부터 다시 40 μm Z축을 올려1회 연마하였다.
- 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 35°인 샘플 제작을 위해 펨토초 레이저를 이용하여 3.6 μJ의 펄스 에너지를 가지는 출력의 레이저 빔을 20배율(NA=0.4)의 Objective lens를 통하여 샘플에 집속하고, 직경 100 μm의 원 가공을 시작으로 매회 가공을 할 때마다 직경을 5 μm 간격으로 줄여가며 원 가공을 하였다.
- 이러한 결과값을 통하여 펨토초 레이저와 CO2 레이저를 이용하여 싱글모드 광섬유 끝단에 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 각각 35°와 45°인 샘플을 제작하여 방사 분포를 비교하였다.
- 이렇게 펨토초 레이저를 이용하여 원뿔형 구조물의 연마 전에 대한 표면 거칠기와 CO2 레이저를 이용하여 연마 후의표면 거칠기의 연마 정도를 측정하기 위하여 0.12 μm의 분해능을 가지는 Confocal(OLYMPUS, OLS3000) 장비를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였다.
- 펨토초 레이저에 의해 가공된 원뿔형 구조물의 표면 연마를 위하여 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각이 각각 다른 두 샘플을 동일하게 1.35 W의 출력의 CO2 레이저빔을 초점거리가 50 mm를 가지는 Convex lens를 사용하여 빔을 집속 시켜 연마하였다. 연마 방법은 0.
대상 데이터
- 본 시뮬레이션의 모델링 조건은 실리카 계열의 광섬유를 직경 125 μm, 코어의 직경 8 μm로 설정하였으며, 광섬유의 굴절률은 코어 1.457, 클래드 1.44, 광섬유의 외부는 공기의 굴절률인 1.00029를 적용하고 레이저를 이용하여 샘플을 제작할 광섬유와 동일하게 설정하였다.
- 본 실험에서는 코어 사이즈가 8 μm 이며 광섬유의 직경은125 μm인 싱글모드 광섬유를 사용하여 광섬유 끝단에 원뿔구조물을 제작하였다.
- 본 연구에서 샘플 제작을 위해 광주과학기술원 고등광기술연구소에서 보유하고 있는 펨토초 레이저 가공 시스템을 사용하였다. 785 nm의 중심파장과 1 kHz의 반복률을 갖는 펨토초 레이저는 CyberLaser사의 Ti:Sapphire femtosecond laser system(모델명: IFRIT)으로 사양은 최대 출력 1 W 이며 184 fs 의 펄스 폭을 가진다.
- 위 결과를 보다 정확하게 알아보기 위하여 그림 4에서 시뮬레이션 값을 그래프로 나타내었다. 시뮬레이션에 적용된 광원의 파장은 650 nm 이며 파워는 1 W로 설정하였다. 그 결과 원뿔의 모선과 모선이 만나는 최대 각의 절반이 35° 샘플그림 4(a)의 최고 광도는 42 cd이며 빔의 방사 범위는 ±50°~75°의 영역으로 방사되었고 전방 방사 빔은 측정되지 않았다.
- 원뿔형 구조물의 표면 연마에 사용된 CO2 레이저(모델명: ULR-30, Universal)의 중심파장은 10.6 μm 이며, CW 레이저로 30 W의 최대출력을 가진다.
이론/모형
- 광섬유에 입사된 빔이 다방향 조사를 위해 스넬의 법칙(Snell’ Law)을 이용하여 계산된 전반사가 가능한 원뿔형 구조를 설계하였다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여 레이저 가공기술을 적용하였다. 레이저 가공 기술은 기계적 가공으로는 불가능한 정밀, 미세가공이 가능하여 그 응용분야 또한 다양하게 적용된다.
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