[기술기고] 레이저용 고반사율 미러

산업 표준 방식만으로는 정확한 반사율 측정 불가능

반사율을 실제 측정하기는 쉽지않은 문제다.

반사율이 99.8%에서 최고 99.999%에 이르는 고반사율 미러(high reflectivity mirror)는 출력량을 최대화하면서 빔을 조정해야 하는 대부분의 레이저 시스템에 꼭 필요한 광학 부품이라 할 수 있다.

미러 반사율, 업계 흔히 사용하는 방식은 분광
광도법(spectrophotometry)으로써 빛의 나머지는 반사됐다는 가정 하에 투과율을 계산하는 기술이다. 그러나 산란이나 흡수를 고려하지 않는 잘못된 가정은 지나치게 낙관적인 반사율 값을 초래할 수 있다. 반사율이 99.5%가 넘는 미러의 경우 반사율을 더 정확하게 알아낼 수 있는 방법은 cavity ring down spectroscopy (CRDS)를 이용해 총 손실량을 계측하는 것이다. 따라서 실제 성능을 예측하기 위해는 미러 공급 업체의 계측 방법을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다.

잘못된 가정: 투과율 계측만으로는 역부족
광학 부품 공급 업체 사이에서는 일반적으로 분광 광도계를 사용해 투과율을 직접 계측하고 미러의 반사율을 검증하는 것이 업계의 관례로 여긴다. 이러한 방법은 산란과 흡수로 인한 영향이 미미하다고 가정하지만 매우 높은 반사율이 요구될 때에는 사소한 영향도 결과에는 상당한 효력을 미칠 수 있다. 반사율이 99.5% 미만일 때는 분광 광도계로 직접 측정할 수 있으나 99.5%를 넘는 수치의 경우 분광 광도계의 신호대잡음비(SNR) 한계에 도달하게 된다.
잘못된 결론: ∑강도 = 반사율 + 투과율
실질적 결론: ∑강도 = 반사율 + 투과율 + 산란 + 흡수


해결책_Cavity Ring Down Spectroscopy(CRDS)
고반사율 미러에 적용할 수 있는 가장 정확한 계측 옵션은 투과율, 흡수, 산란을 이용해 미러의 총 손실량을 측정하는 cavity ring down spectroscopy(CRDS) 방식이다. 레이저 펄스는 두 개의 고반사율 미러에 의해 경계를 갖게 되는 공진 공동(resonant cavity) 쪽으로 유도된다.(그림 1). 반사된 레이저 빛은 공진 공동 내에서 진동하며 반사될 때마다 소량의 빛을 손실한다. 두 번째 미러 뒤에 놓인 디텍터는 반사되는 빛이 감소하는 강도를 측정한다. 미러의 총 손실량은 반사광의 감쇠 시간(decay time) 또는 'ring down'에 의해 결정된다.

[기술기고] 레이저용 고반사율 미러 - 산업종합저널 장비
그림 1: CRDS 방식을 이용하면 투과율, 흡수, 산란을 포함한 레이저 미러의 총 손실량 측정 가능

이때 공동(cavity) 내부의 레이저 강도(I)는 다음과 같이 설명된다.
[기술기고] 레이저용 고반사율 미러 - 산업종합저널 장비

실제 사례
두 고반사율 미러의 투과율은 투과 분광 광도법(transmission spectrophotometry)을 이용해 측정됐습니다(그림 2). 미러 2는 미러 1보다 측정된 투과율이 현저히 낮았기 때문에 미러 2의 반사율이 더 높은 것으로 나타났다. 이외 다른 계측을 실시하지 않았다면 미러 1의 공칭 반사율은 99.9% 그리고 미러 2의 공칭 반사율은 99.99%라고 가정할 수 있다.

[기술기고] 레이저용 고반사율 미러 - 산업종합저널 장비
그림 2: 투과 분광 광도법을 이용해 두 미러를 분석한 경우 미러 2의 반사율이 미러 1의 반사율보다 높은 것으로 나타남

그러나 CRDS 방식으로 두 미러를 측정할 때에는 반사율의 값이 이와 다르다는 것을 알 수 있다. 미러 1의 손실 값은 분광 광도법에 따라 구해진 공칭 반사율과 일치하지만 미러 2는 반사율이 너무 낮아 CRDS 시스템에서 공진(resonance) 조차 생성할 수 없다. 반사 분광 광도법(reflectance spectrophotometry)을 사용해 반사율을 직접 측정한 결과 미러 2는 흡수와 산란으로 인해 미러 1보다 성능이 더욱 저하하고 후행 반사율(trailing reflectance)이 0.5%까지 떨어지는 것으로 나타났다(그림 3). 저파장에서의 반사율이 특히 낮은 것은 흡수와 산란의 특성이기도 하다.

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그림 3: CRDS와 반사 분광 광도법을 사용하면 특히 저파장에서 미러 2의 반사율이 미러 1의 반사율보다 현저히 낮은 것으로 나타남

이러한 예는 적절한 계측 기법을 사용하는 것이 고반사율 레이저 미러에 얼마나 중요한지를 보여준다. 미러 2의 반사율이 99.99%라고 신뢰했다면 시스템의 고장으로까지 이어질 수 있었다. 알다시피 실질적 반사율은 99.5%였다. 이처럼 테스트 값과 실제 값 간의 불일치는 성능 저하, 안전 문제 그리고 심지어는 시스템의 치명적 손상까지 야기할 수 있다.

[기고=에드몬드옵틱스 Chris Cook, Tony Karam, Ian Stevenson, Stefaan Vandendriessche]
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