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편광자를 돌리지 않고 한 번에 재는 법 — 포토닉 결정

위상차를 재려면 편광자를 돌려가며 여러 장을 찍어야 했습니다. 화소마다 방향이 다른 편광자를 얹으면 한 장으로 끝납니다. 그 편광자를 만드는 방법이 포토닉 결정입니다.

복굴절을 재는 원리는 복굴절과 위상차에서 다뤘습니다. 시료를 지난 빛의 두 성분이 얼마나 어긋났는지를 보는 것이었습니다. 그러면 그 어긋남은 무엇으로 잽니까.

돌려가며 찍으면 그사이에 값이 변한다

편광 성분을 나누려면 편광자가 필요합니다. 한 장으로는 한 방향밖에 못 보므로, 편광자를 돌려 가며 여러 장을 찍어 계산해 왔습니다.

여기에 두 가지 문제가 있습니다. 찍는 동안 시료가 움직이거나 조명이 흔들리면 장마다 조건이 달라집니다. 그리고 한 장 찍고 돌리고 다시 찍는 사이의 시간이 그대로 측정 시간이 됩니다. 공정 라인에서 전수 검사를 하려면 이 시간이 문제가 됩니다.

돌려가며 찍기 — 네 장을 찍는 동안 시료가 흘러간다 1장째 · 0° 2장째 · 45° 3장째 · 90° 4장째 · 135° 합치면 어긋난다 걸리는 시간 촬영 4번 + 돌리는 시간 3번 화소마다 편광자 — 한 장에 네 방향이 같은 순간 담긴다 1장 · 네 방향 동시 시료가 움직이든 조명이 흔들리든, 네 방향이 같은 조건에서 찍힌다 돌리는 시간이 없으니 측정 시간 = 촬영 한 번 촬영 1번 걸리는 시간
돌려 찍는 동안 시료가 흘러가면 네 장이 서로 어긋난다. 화소마다 편광자를 얹으면 네 방향이 같은 순간 한 장에 담긴다

화소마다 다른 편광자를 얹는다

해법은 편광자를 돌리는 대신 화소마다 방향이 다른 편광자를 붙이는 것입니다. 0°·45°·90°·135° 네 방향을 이웃한 네 화소에 나눠 두면, 한 번 찍는 것으로 네 방향이 동시에 들어옵니다. 돌릴 필요가 없으니 움직이는 시료도 잡히고, 측정은 한 장으로 끝납니다.

찍은 원본에서 같은 방향의 화소끼리 골라 모으면 방향별 영상 네 장이 됩니다. 대신 한 장의 화소 수는 원본의 4분의 1로 줄어듭니다.

센서 원본 한 장 굵은 테두리 = 네 방향 한 묶음, 이것이 되풀이된다 같은 방향끼리 방향별 영상 네 장 (화소 수 1/4) 0° 4×4 45° 4×4 135° 4×4 90° 4×4 원 안쪽은 60° 근처로 편광된 빛이라 방향마다 밝기가 다르고, 바깥은 비편광이라 네 장이 비슷하다. 이 차이로 화소마다 편광 상태를 계산한다
원본은 네 방향 화소가 2×2로 되풀이되는 모자이크다. 같은 방향끼리 모은 네 장의 밝기를 비교해 화소마다 편광 상태를 계산한다

문제는 그런 편광자를 어떻게 만드느냐입니다. 화소 하나가 수 마이크로미터인데 그 크기로 방향이 다른 편광자를 나란히 놓아야 합니다.

요철 위에 층을 쌓으면 모양이 복제된다

포토닉 결정은 그것을 적층으로 풉니다. 먼저 기판에 규칙적인 요철을 새깁니다. 그 위에 스퍼터링으로 막을 쌓는데, 쌓는 과정에서 퇴적과 깎임이 균형을 이루도록 조건을 맞추면 아래의 요철 모양이 위층에도 그대로 옮겨 갑니다. 층을 아무리 쌓아도 톱니 단면이 유지됩니다.

이렇게 모양이 스스로 복제된다고 해서 자기복제형(self-cloning) 이라고 부릅니다.

요철을 새긴 기판 위로 두 재료를 번갈아 쌓는다 기판 — 주기 500nm 의 요철 Nb₂O₅ SiO₂ 쌓을수록 평평해지지 않고 톱니 모양이 그대로 반복된다
퇴적과 깎임을 균형 맞추면 아래의 요철이 위층으로 계속 복제됩니다.

균형이 왜 필요한지는 쌓기만 했을 때와 비교하면 보입니다.

쌓기만 하면 골이 메워져 점점 평평해진다 퇴적과 깎임을 균형 맞추면 톱니 모양이 층마다 그대로 복제된다 위에서 쏟아지는 재료가 골을 먼저 채운다 비스듬한 면을 깎아 내 쌓이는 양과 맞춘다
쌓기만 하면 골이 먼저 메워져 몇 층 만에 평평해진다. 비스듬한 면을 깎아 쌓이는 양과 맞추면 톱니가 끝까지 유지된다 (개념도)

막 두께만 바꾸면 투과축이 뒤집힌다

이렇게 만든 다층막은 면 안에서 방향에 따라 성질이 달라집니다. 그래서 편광자나 파장판으로 동작합니다. 중요한 것은 어느 방향을 통과시킬지가 막 두께로 정해진다는 점입니다.

도호쿠대와 함께 낸 논문에 실측값이 있습니다. 주기 500nm 로 같은 요철을 낸 석영 기판에

  • Nb₂O₅ 174nm 와 SiO₂ 460nm 를 번갈아 쌓으면 — 파장 1064nm 에서 요철 방향(TE) 을 통과시키고
  • 같은 기판에 Nb₂O₅ 255nm 와 SiO₂ 330nm 를 쌓으면 — 같은 파장에서 요철에 직각인 방향(TM) 을 통과시킵니다

기판은 그대로 두고 두께만 바꿨는데 투과 방향이 뒤집힙니다. 통과하지 못한 성분은 흡수되지 않고 거의 전부 반사됩니다. 빛을 버리지 않는다는 뜻입니다.

기판은 같고 두께만 다르다 — 통과하는 방향이 바뀐다 Nb₂O₅ 174 nm / SiO₂ 460 nm 반사 — 흡수하지 않는다 TE 통과 · TM 반사 두 성분이 섞인 빛 Nb₂O₅ 255 nm / SiO₂ 330 nm 반사 — 흡수하지 않는다 TM 통과 · TE 반사 두 성분이 섞인 빛 TE — 요철 방향으로 진동 TM — 요철에 직각으로 진동 파장 1064 nm, 요철 주기 500 nm 석영 기판에서의 논문 실측 조건 구역마다 두께를 달리하면 = 화소 편광자 배열
같은 기판에 두께만 달리 쌓은 두 소자. 하나는 TE를, 다른 하나는 TM을 통과시키고 나머지는 반사한다

한 장의 소자 안에서 구역마다 두께를 달리하면, 구역마다 다른 방향을 통과시키는 편광자가 됩니다. 화소 크기로 그렇게 나눈 것이 편광 이미지 센서이고, PA·WPA 시리즈가 한 번 촬영으로 위상차를 얻는 근거가 여기에 있습니다.

같은 회사의 편광 카메라와 측정 시스템도 화소마다 편광자를 얹어 한 번에 찍는 방식입니다.

Photonic Lattice PI-300 편광 이미지 카메라
PI-300
편광 이미지 카메라
Photonic Lattice WPI-200 스토크스 편광 이미지 카메라
WPI-200
스토크스 편광 카메라
Photonic Lattice CRYSTA Nova S16 고속 편광 카메라
CRYSTA Nova S16
고속 편광 카메라
Photonic Lattice CRYSTA PI-5WP 소형 고속 편광 카메라와 제어 PC
CRYSTA PI-5WP
소형 고속 편광 카메라
Photonic Lattice PA 시리즈 복굴절 측정 시스템 구성
PA 시리즈
복굴절·응력 측정
Photonic Lattice WPA-200 위상차 측정 시스템
WPA-200 시리즈
넓은 범위 위상차 측정
Photonic Lattice의 편광 카메라와 측정 시스템. 모두 화소마다 편광자를 얹어 촬영 한 번으로 편광 정보를 얻는다. 그림을 누르면 제품 페이지로 이동한다

재는 것을 넘어 만들 수도 있다

같은 소자를 레이저 공진기의 출력 거울 자리에 놓으면, 나오는 빔 자체의 편광 구조가 달라집니다.

보통의 레이저는 단면 어디를 봐도 같은 방향으로 진동하는 직선 편광입니다. 그런데 편광 방향이 중심에서 바깥으로 뻗는 방사 편광, 또는 중심을 둘러싸고 도는 원주 편광을 만들 수 있습니다. 둘을 묶어 축대칭 편광이라고 합니다.

논문에서는 Nd:YAG 레이저의 출력 거울을 원형 이방성을 갖는 포토닉 결정 편광자로 바꿔 발진시켰습니다. TE 를 통과시키는 소자에서는 방사 편광이, TM 을 통과시키는 소자에서는 원주 편광이 나왔습니다. 빔 단면은 가운데 세기가 0 인 도넛 모양이 됩니다.

직선 편광 보통의 레이저 가운데가 가장 밝다 방사 편광 중심에서 바깥으로 가운데 세기 0 — 도넛 원주 편광 중심을 둘러싸고 가운데 세기 0 — 도넛 방사·원주 편광을 묶어 축대칭 편광이라 한다. 렌즈로 모으면 모든 성분이 같은 조건으로 들어간다
직선 편광은 단면 어디서나 같은 방향으로, 방사 편광은 바깥으로, 원주 편광은 둘레를 따라 진동한다. 두 축대칭 편광은 가운데가 비어 있다

이런 빔이 왜 쓸모 있냐면, 렌즈로 모을 때 모든 성분이 같은 조건으로 입사하기 때문입니다. 가공용 레이저에서 효율이 오르고, 초점 부근에 광축과 나란한 전기장 성분이 생겨 분해능을 높이는 현미경에도 쓰입니다. 가운데가 비어 있는 세기 분포는 광집게에도 적합합니다.

위 수치는 이노우에 요시히코 외, 「포토닉 결정 소자를 이용한 축대칭 편광 빔」(포토닉래티스 · 도호쿠대학 · 센다이응용정보연구진흥재단)에 실린 값입니다. 논문의 편광자는 1064nm 용이고, PA·WPA 시리즈의 측정 파장(520nm 또는 3파장)과는 다릅니다. 같은 제법으로 파장에 맞춰 설계한다는 뜻으로 읽어 주십시오.