불필요한 미광(stray light)을 최소화하다!

레이저 시스템 내에서 불필요한 빛이 투과되지 않도록 하기 위해 모든 유전체 미러는 미러 뒤쪽에 일반적으로 beam dump를 배치합니다. 코팅의 반사도가 매우 높더라도 유전체 미러 코팅을 통과해 누출되는 소량의 빛이 항상 존재합니다. 이처럼 원치 않게 투과된 빛은 미러 기판을 직접 투과하거나 기판 내에서 고스트 반사를 생성하여, 레이저 시스템 성능을 저하시키고 레이저 안전 문제를 야기할 수 있습니다.

에드몬드 옵틱스에서 새롭게 출시한 Schwarz Mirror는 광학 부품 뒤쪽에 beam dump를 배치해야 하는 필요성을 크게 줄여줍니다. 이 미러는 정밀 공학 설계가 적용된 불투명 용융 실리카 기판을 사용한 새로운 유형의 광학 부품으로서 반사율을 98% 이상으로 유지하면서 미러를 투과하는 빛의 양을 수 배 정도 줄여주는 장점을 가지고 있습니다. 또한 기판 자체는 검은색(Schwarz는 독일어로 검은색을 의미)으로 보이더라도 용융 실리카의 장점은 그대로 유지됩니다. 따라서 Schwarz Mirror를 사용하면 광학 시스템의 크기를 최소화하고 레이저의 미광을 제거하여 안전성을 향상시킬 수 있습니다.

기존의 미러가 가지고 있는 문제점은 무엇입니까?

입사하는 레이저 광의 대부분은 해당 파장에 맞춰 설계된 유전체 미러 코팅에 의해 반사되지만, 빛의 일부분은 코팅을 통과해 기판을 투과하게 됩니다. 용융 실리카와 기타 일반 미러 기판은 빛이 미러의 후면을 투과하도록 하거나 고스트 반사를 생성하여, 시스템 내부에 미광을 유입시킬 수 있습니다. 미러의 반사 대역외 파장 또한 미러를 통과하여, 시스템 노이즈에 더 많은 영향을 미치면서 결국 시스템 성능을 감소시킬 수 있습니다.

Schwarz Mirror 기판이 특별한 이유는 무엇입니까?

Schwarz Mirror는 레이저 유도 손상 임계치(LIDT)를 높게 유지하고 용융 실리카의 열팽창성을 낮게 유지하는 동시에 원치 않는 광투과를 차단하도록 정밀 공학 설계된 용융 실리카로 제작됩니다(그림 1). 불투명 소재의 이 필터는 전형적인 0.55x10^-6/K의 열팽창 계수를 특징으로 하며, 기본적으로 ND 필터와 같은 기능을 제공합니다.

그림 1: 일반 용융 실리카 기판(우측)의 LIDT 값은 높게, 그리고 열팽창계수는 낮게 유지하도록 정밀 설계된 Schwarz Mirror의 용융 실리카 기판(우측). 미러 기판을 투과하거나 후면에 잔류하는 불필요한 빛을 흡수시키는 장점 제공.

Schwarz Mirror: 불필요한 광투과 차단

그림 2는 정교하게 설계된 Schwarz Mirror 기판의 우수한 광차단성을 보여줍니다. 이에 따라 beam dump를 미러 뒤에 배치할 필요가 없으므로 전체 시스템의 비용 및 중량, 크기가 줄어듭니다.

그림 2: 용융 실리카 기판(상단) 소재의 일반 유전체 미러는 후면을 통해 레이저 빛이 누출되는데 반해, 두께, 직경, 코팅이 동일한 Schwarz Mirror는 원치 않는 빛이 미러(하단)를 투과하는 것을 방지함.

Schwarz Mirror의 성능 테스트

Schwarz mirror의 성능을 평가하기 위해 우선 검은색 정밀 융용 실리카 소재를 25mm 직경에 5mm 두께로 커팅한 후 한 쪽면을 연마하였습니다. 그 다음 500 mW 출력 파워를 10 nW 해상도로 최저 500 nW까지 측정 가능한 silicon-based photodiode 및 32 nm diode-pumped solid-state (DPSS) continuous-wave laser를 사용해 해당 소재의 투과율을 측정하였습니다. 이때 신호가 감지되지 않았다면, 투과율은 7임을 나타냅니다.

가시광 감쇠 성능을 더욱 깊이 이해하기 위해 블랭크 소재를 4mm, 3mm, 그리고 기록 가능한 투과율이 없는 최종 2mm까지 얇은 두께로 연마해가며 시험을 진행하였습니다. 최대 OD 9까지 기록할 수 있는 lock-in amplifier를 사용하면, 2mm 두께의 샘플은 여전히 가시광 범위에서 투과율을 보이지 않았습니다.

이후 동일한 레이저 및 포토다이오드를 사용해 Schwarz Mirror와 용융 실리카 기판의 일반 유전체 미러를 서로 비교 진행하였습니다. 두 미러 다 25mm 직경에 5mm 두께를 가지고 있으며, 동일하게 532nm에 맞춰 설계된 고반사 유전체 코팅이 적용되었습니다. 레이저는 그림 2에서와 같이 45°에서 미러를 향하도록 배치되었으며, 137mW까지 감쇠하는 것으로 나타났습니다. 포토다이오드는 반사율 및 투과율을 확인하기 위해 미러의 앞쪽과 뒤쪽에서의 측정값을 모두 기록하였습니다. 그림 3과 4에 있는 그래프는 서로 다른 Schwarz Mirror 샘플 2개와 일반 용융 실리카 미러 샘플 2개를 사용해 얻은 데이터로서 모두 각각 5회씩 측정하였습니다.

그림 3: 일반 유전체 미러와 달리 Schwarz Mirror는 반사율의 변화가 거의 없음.

그림 4: Schwarz Mirror는 일반 미러에 비해 광밀도(OD)가 훨씬 높게 나타남.

반사광의 강도는 각 광학 부품으로부터 12.7mm(근거리) 및 304.8mm(원거리) 떨어짐 지점에서 5분 동안 측정되었습니다. 평균적으로 이 Schwarz Mirror는 원거리에서 입사광의 118.2mW를 반사하여 일반 용융 실리카 미러 반사 성능(119.6mW)의 98.7%를 달성하는 것으로 나타났습니다. 따라서 대부분의 시스템에서 반사 성능의 현저한 변화가 없으므로 Schwarz Mirror는 일반 용융 실리카 미러를 대체하는 데 안성맞춤입니다.

이때 투과율은 입사 빔과 함께 정축을 따라 광학 부품 뒤쪽으로 304.8mm 떨어진 곳에서 측정되었습니다. 일반 용융 실리카 미러 샘플은 84 µW 이상의 광원을 투과하였지만, Schwarz Mirrors는 동일한 광원에서 측정 가능한 투과율이 존재하지 않았으며, 다시 말해 포토다이오드의 임계치인 500 nW 이하에서만 투과되었음을 알 수 있습니다.