KR101707187B1

KR101707187B1 - 링 레이저 자이로스코프용 미러

Info

Publication number: KR101707187B1
Application number: KR1020160097438A
Authority: KR
Inventors: 김영민; 한정엽; 김종섭; 이영우
Original assignee: 한화디펜스 주식회사; (주)옵토닉스
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2017-02-15

Abstract

본 발명은 링 레이저 자이로스코프용 미러에 관한 것으로, 광학코팅을 통해 플라즈마 및 자외선에 의한 미러 표면의 손상을 방지하도록 한 링 레이저 자이로스코프용 미러에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, 기판(100)의 일면에는 자이로스코프 입사광 파장(λ)의 1/4의 광학두께로 형성되고 서로 다른 굴절률을 갖는 산화탄탈륨 층(210) 및 실리카 층(220)을 교대로 순차적으로 증착하여 제1반사막(200)을 형성하고, 상기 제1반사막(200)의 최외면에는 플라즈마 활성이온에 대한 내구성이 높은 소재로 자외선을 차단하여 표면을 보호하도록 제2반사막(300)을 증착하여 형성한 링 레이저 자이로스코프용 미러에 있어서, 상기 제1반사막(200)은 600~800nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되고, 상기 제2반사막(300)은 200~350nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되며, 상기 제2반사막(300)은 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적으로 구성된 교호층으로 이루어지고, 상기 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층은 입사광 파장(λ)의 (0.4 ~ 0.43)/4의 광학두께로 형성되며, 상기 제2반사막(300)의 최외곽은 제2반사막을 이루는 각 층보다 2배의 광학두께를 갖도록 (0.8 ~ 0.86)/4의 광학두께로 산화알루미늄(Al2O3)층이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

링 레이저 자이로스코프용 미러{Mirror of a ring laser gyroscope}

본 발명은 링 레이저 자이로스코프용 미러에 관한 것으로, 광학코팅을 통해 플라즈마 활성이온 및 자외선에 의한 미러 표면의 손상을 방지하도록 한 링 레이저 자이로스코프용 미러에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 링 레이저 자이로스코프(ring laser gyroscope)는 회전각을 검출하는 센서로서 광학식이 가지는 정밀함과 견고성으로 관성 항법을 비롯한 운동 제어를 필요로 하는 여러 분야에서 기존의 기계식 자이로스코프를 대체해 오고 있다. 그러나 지금까지의 기술 개발은 주로 고 정밀도를 요구하는 고가의 센서에 대한 수요를 목표로 진행되어 왔으나, 최근에 소형화된 링 레이저에 대한 관심이 높아지고 있다.

링 레이저 자이로스코프는 3개 또는 그 이상의 반사경으로 이루어진 고리형 공진기를 구성하고, He-Ne 가스를 봉입하여 방전시킴으로써 서로 반대방향(시계방향 및 반시계방향)으로 진행하는 레이저빔이 동시에 발진시키면, 사낙(Sagnac) 효과에 의해 공진기의 회전각에 비례하여 두 레이저의 주파수 차이가 발생하는 원리를 이용한다.

도 1은 종래의 링 레이저 자이로스코프의 기본 원리를 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 블록(11)은 링 레이저 자이로스코프(10)내에 장착되 며, 링 레이저의 경로는 블록(11)의 각 모서리상에 모서리 미러(12, 14, 16 및 18)를 장착함으로써 형성된다. 링 레이저 도관은 미러(12∼18)사이의 블록(11)내에 형성된 채널(20, 22, 24 및 26)로 구성된다. 링 레이저 도관은 가스의 레이저 주파수 및 광학 공동(cavity)의 공정 주파수에 의해 결정된 주파수의 역-전달 레이저 빔을 발생시키기에 적합한, 헬륨-네온과 같은 레이저 이득 매질을 포함한다. 도관은 채널(20, 22, 24 및 26)내의 전자기(electromagnet) 에너지의 역-전달 레이저 빔을 유지하기 위한 크기로 된다.

링 레이저는 도관의 이득영역에서 전기적 방전에 의해 여기된다. 이러한 전기적 방전은 링 레이저 도관으로 개방되는 캐소드(30)와, 이 링 레이저 도관으로 개방되고 캐소드(30)에 대하여 도관 주위에 대칭적으로 배치된 2개의 애노드(32, 34)사이에서 발생된다. 캐소드(30)는 보조채널(36)을 통하여 채널(20)에 연결되며, 애노드(32 및 34)는 각각 보조채널(38 및 40)를 통하여 링 레이저 채널(22 및 26)에 각각 결합된 도전성 전극으로 구성된다.

상기와 같은 링 레이저 자이로스코프는 광학소자의 손실증대에 의해 출력이 점차 감소되면서 수명을 다하게 되는데, 이러한 광학소자의 손실증대로써 레이저 발진에 따라 생성되는 플라즈마 활성이온이 광학소자인 미러의 표면에 물리변화 및 화학변화를 일으키게 되고, 이로 인해 광감소를 가져오게 되는 것이다.

이러한 플라즈마 활성이온에 의한 미러의 표면 손상을 방지하기 위한 목적으로, 플라즈마 활성이온이나 자외선에 노출되었을 때 물리변화나 화학변화에 내구성이 강한 유전체 재료로 된 보호층을 코팅하여 사용중에 있다.

미러의 표면에 보호층을 형성한 종래기술로서, 일본 특허 평9-2627864호가 개시되어 있다.

상기 기술은 기판 표면에 λ/4의 두께로 이산화티탄(TiO2)과 실리카(SiO2)를 교대로 코팅하여 제1유전체층과 제2유전체층을 형성하고, 그 유전체층의 최외곽 유전체층에는 물리변화나 화학변화에 강한 산화하프늄(HfO2)과 산화알루미늄(Al2O3)를 교대로 코팅하여 제3유전체층과 제4유전체층을 형성한 기술이다.

즉, 상기 기술은 광 반사를 높이기 위한 제1유전체층 및 제2유전체이 형성되고, 그 외부에 단순히 제3유전체층과 제4유전체층을 교호적으로 설치하여 물리변화나 화학변화에 대한 내구성을 높이도록 한 것이다.

그러나 레이저 발진시에 생성되는 플라즈마 활성이온이나 자외선은 레이저빔의 파장 대역과 상이한 대역을 갖는 것임에 따라, 단순히 플라즈마 활성이온에 강한 재료로 코팅하여 레이저빔의 반사목적으로만 설계된 상기의 미러 구조로서는 자외선을 효과적으로 반사시키지 못함으로써 미러 표면에 데미지가 쌓이게 되고, 결국 미러의 손상을 일으켜 레이저빔을 효과적으로 반사시키지는 못하였다.

공개특허공보 제10-2004-0108237호(2004.12.23) 일본 특허등록 제2627864호(1997.4.18)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 진공상태의 내부공간으로 입사된 광을 반사하면서도 플라즈마 활성이온에 대한 내구성 강화 및 자외선을 반사시키도록 하여 플라즈마 활성이온이나 자외선에 의해 미러 표면이 손상되는 것을 방지 또는 최소화하도록 한 링 레이저 자이로스코프용 미러를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 기판(100)의 일면에는 자이로스코프 입사광 파장(λ)의 1/4의 광학두께로 형성되고 서로 다른 굴절률을 갖는 산화탄탈륨 층(210) 및 실리카 층(220)을 교대로 순차적으로 증착하여 제1반사막(200)을 형성하고, 상기 제1반사막(200)의 최외면에는 플라즈마 활성이온에 대한 내구성이 높은 소재로 자외선을 차단하여 표면을 보호하도록 제2반사막(300)을 증착하여 형성한 링 레이저 자이로스코프용 미러에 있어서, 상기 제1반사막(200)은 600~800nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되고, 상기 제2반사막(300)은 200~350nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되며, 상기 제2반사막(300)은 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적으로 구성된 교호층으로 이루어지고, 상기 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층은 입사광 파장(λ)의 (0.4 ~ 0.43)/4의 광학두께로 형성되며, 상기 제2반사막(300)의 최외곽은 제2반사막을 이루는 각 층보다 2배의 광학두께를 갖도록 (0.8 ~ 0.86)/4의 광학두께로 산화알루미늄(Al2O3)층이 형성된 것을 특징으로 한다.

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상기의 구성으로 이루어진 링 레이저 자이로스코프용 미러에 따르면, 입사된 광의 반사와 함께 플라즈마 활성이온에 대한 내구성 강화 및 자외선을 반사시키도록 하여 미러표면의 물리변화 및 화학변화 등을 방지 또는 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 링 레이저 자이로스코프용 미러의 적층구조도,
도 2는 본 발명에 따른 링 레이저 자이로스코프용 미러의 박막 증착 구조도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 링 레이저 자이로스코프용 미러의 반사대역 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 링 레이저 자이로스코프용 미러를 상세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 링 레이저 자이로스코프용 미러는 기판(100)의 일면에 제1반사막(200)과 제2반사막(300)을 증착 형성하여 입사광을 반사하도록 한 것으로, 상기 제1반사막(200)은 서로 다른 굴절률을 갖는 산화탄탈륨(Ta2O5) 층(210)과 실리카 층(220)을 각각 교대로 순차적으로 적층되게 증착하여 형성한 막이고, 각각의 산화탄탈륨 층(210)과 실리카 층(220)은 자이로스코프로 입사되는 파장(λ)의 1/4의 광학두께로 형성된다.

이때, 상기 제1반사막(200)은 입사광을 반사하기 위해 구비된 막임에 따라 입사광의 파장대역인 600~800nm 대역의 파장을 반사하도록 설계된다. 이에 따라, 상기 미러로 입사되는 광은 제2반사막(300)을 통과하게 되나 제1반사막(200)에 부딪혀 반사되는 것이다.

상기 제2반사막(300)은 제1반사막(200)의 최외면에 증착 형성되는 막으로서, 플라즈마 활성이온과 자외선을 차단하여 미러 표면을 보호하기 위한 기능을 한다.

이때, 상기 제2반사막(300)은 상기 플라즈마 활성이온과 자외선을 차단하기 위해, 자외선의 반사대역인 200~350nm 대역의 파장을 반사하도록 설계된다.

따라서, 상기 미러로 입사되는 광은 제1반사막(200)에 의해 반사되는 것이고, 플라즈마 활성이온과 자외선은 제2반사막(300)에 의해 반사되어 짐으로써 플라즈마 활성이온과 자외선에 의한 미러 표면의 손상을 방지하거나 최소화할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 제2반사막(300)은 산화하프늄(HfO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적으로 구성된 교호층, 산화알루미늄(Al2O3)층과 실리카(SiO2)층이 교호적으로 구성된 교호층, 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적으로 구성된 교호층 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적적으로 구성된 교호층으로 이루어진다.

상기 산화하프늄(HfO2)층, 산화알루미늄(Al2O3)층, 실리카(SiO2)층, 산화지르코늄(ZrO2)층은 플라즈마 활성이온이나 자외선에 강한 재료로서, 반사하고자 하는 파장대역의 조절을 통해 제2반사막을 형성하게 되는 것이고, 파장대역 조절은 제2반사막을 이루는 각 층의 두께로 조절할 수 있다.

즉, 자외선의 효과적인 반사를 위해, 상기 산화하프늄(HfO2)층, 산화알루미늄(Al2O3)층, 실리카(SiO2)층, 산화지르코늄(ZrO2)층은 입사광 파장의 (0.4 ~ 0.43)/4의 두께로 형성되는 것이며, 이를 통해 200~350nm 대역의 자외선 파장의 반사율을 높일 수 있는 것이다.

이때, 상기 제2반사막(300)의 최외곽은 제2반사막을 이루는 각 층보다 2배의 광학두께를 갖도록 (0.8 ~ 0.86)/4의 두께로 산화알루미늄(Al2O3)층이 형성된 것이 바람직하다.

이렇게 하는 이유는, 상기 제2반사막(300)의 반사대역의 효율을 유지시키면서 플라즈마에 대한 최외각층 표면의 내구성을 높여 미러 표면 파손을 방지하기 위함이다.

도 3a는 상기 제2반사막(300)을 산화하프늄(HfO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층의 교호층으로 형성한 미러의 반사대역을 보여주는 그래프이고, 도 3b는 상기 제2반사막(300)을 산화알루미늄(Al2O3)층과 실리카(SiO2)층의 교호층으로 형성한 미러의 반사대역을 보여주는 그래프이며, 도 3c는 상기 제2반사막(300)을 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층의 교호층으로 형성한 미러의 반사대역을 보여주는 그래프이다.

상기 도 3a 내지 도 3c와 같이, 본 발명의 미러(실선 표시)는 종래의 미러(점선 표시)에 비해 UV 파장대역에서의 반사율이 4~5배 증대되어 미러의 표면 손상을 대폭 감소시키며, 자이로스코프의 수명을 효과적으로 늘릴 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 종래의 기능인 입사광의 반사는 물론, 플라즈마 활성이온에 대한 내구성이 높은 소재를 사용하여 자외선을 최대한 반사시킴으로써 미러 표면 손상을 최소화 또는 방지할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

100: 기판 200: 제1반사막
210: 산화탄탈륨(Ta2O5)층 220: 실리카(SiO2)층
300: 제2반사막

Claims

기판(100)의 일면에는 자이로스코프 입사광 파장(λ)의 1/4의 광학두께로 형성되고 서로 다른 굴절률을 갖는 산화탄탈륨 층(210) 및 실리카 층(220)을 교대로 순차적으로 증착하여 제1반사막(200)을 형성하고, 상기 제1반사막(200)의 최외면에는 플라즈마 활성이온에 대한 내구성이 높은 소재로 자외선을 차단하여 표면을 보호하도록 제2반사막(300)을 증착하여 형성한 링 레이저 자이로스코프용 미러에 있어서,
상기 제1반사막(200)은 600~800nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되고, 상기 제2반사막(300)은 200~350nm 대역의 파장을 반사하도록 설계되며,
상기 제2반사막(300)은 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층이 교호적으로 구성된 교호층으로 이루어지고, 상기 산화지르코늄(ZrO2)층과 산화알루미늄(Al2O3)층은 입사광 파장(λ)의 (0.4 ~ 0.43)/4의 광학두께로 형성되며,
상기 제2반사막(300)의 최외곽은 제2반사막을 이루는 각 층보다 2배의 광학두께를 갖도록 (0.8 ~ 0.86)/4의 광학두께로 산화알루미늄(Al2O3)층이 형성된 것을 특징으로 하는 링 레이저 자이로스코프용 미러.
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