KR20170092803A

KR20170092803A - 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계

Info

Publication number: KR20170092803A
Application number: KR1020160013928A
Authority: KR
Inventors: 김대석
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-08-14
Also published as: EP3413022A1; JP2019508688A; US20190049302A1; EP3413022A4; WO2017135641A1; JP6893667B2; US10890487B2; KR101812608B1

Abstract

일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터, 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러 및 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러를 포함한다. 이에 의해, 일체형 편광간섭계를 이용하여 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 분광편광 현상 스냅샷 측정이 가능해져, 측정의 반복도와 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계{One-piece polarizing interferometer and snapshot spectro-polarimetry applying the same}

본 발명은 분광편광계 및 이에 적용가능한 편광간섭계에 관한 것으로, 측정 대상이 되는 오브젝트를 투과/반사한 광의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 고속으로 측정하는 분광편광계 및 이에 적용되는 편광간섭계에 관한 것이다.

분광편광 측정 기술은 다양한 분야에 적용 가능한 가장 정확한 솔루션 중 하나이다. SD PS-OCT(spectral domain polarization-sensitive optical coherence tomography), 실시간 고감도 SPR(surface-plasmon resonance) 바이오 센싱 및 CD(circular dichroism) 측정 등에 간섭계와 편광계를 결합하고자 하는 연구가 있어왔다.

종래의 분광편광 측정 시스템은 스톡스 벡터를 도출하기 위한 타원분광 파라미터 Ψ(k) 및 Δ(k)을 추출하기 위해, 기계적인 회전기구나 전기적인 변조소자를 이용하고 있으며 일반적으로 초 단위 이상의 측정 시간이 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한, 측정시간의 문제를 해결하기 위해 스냅샷 기반의 분광편광측정기술이 제안되었으나 기존의 스냅샷 기술은 전통적인 간섭계의 원리에 기반하고 있기 때문에 스냅샷으로 측정은 가능하지만 외부 진동 등에 의한 외란에 취약하다는 근본적인 문제를 가지고 있으며, 이러한 이유로 기계적인 편광소자 회전방식이나 전기적인 변조소자 방식의 분광편광측정기술이 제공할 수 있는 측정의 반복도 및 안정도 성능을 제공할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 일체형 편광간섭계 및 이를 적용한 스냅샷 분광편광계를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.

그리고, 상기 일체형 편광간섭 장치 내에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있을 수 있다.

또한, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제1 미러 간의 부착 간격은 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 미러 간의 부착 간격과 차이가 있을 수 있다.

그리고, 상기 차이는, 20 ~ 60μm일 수 있다.

또한, 상기 제1 편광은 P-편광이고, 상기 제2 편광은 S-편광일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 스냅샷 분광편광계는, 광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 제1 선형 편광자; 상기 제1 선형 편광자에서 출사되어 오브젝트를 투과한 빛을 편광 변조하는 일체형 편광간섭계; 상기 일체형 편광간섭계에서 출사되는 두 파동을 간섭시키는 제2 선형 편광자; 및 상기 제2 선형 편광자에서 출사되는 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고, 상기 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및 상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.

그리고, 상기 제1 선형 편광자와 상기 제2 선형 편광자는, 45° 방향의 선형 편광자일 수 있다.

또한, 상기 일체형 편광간섭계에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있을 수 있다.

그리고, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제1 미러 간의 부착 간격은 상기 편광 빔 스플리터와 상기 제2 미러 간의 부착 간격과 차이가 있을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 일체형 편광간섭계는, 입사되는 복합파를 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터를 투과한 광을 편광시키는 제1 편광자; 상기 제1 편광자에서 출사되는 상기 제1 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 상기 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터에서 반사된 광을 편광시키는 제2 편광자; 및 상기 제2 편광자에서 출사되는 상기 제2 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 일체형 편광간섭계를 이용하여 외부 진동 등에 의한 외란에 강인한 분광편광 현상 스냅샷 측정이 가능해져, 측정의 반복도 및 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 도시한 도면,
도 3은 오브젝트가 없는 경우, 단일 분광 센싱 모듈에서 측정되는 간섭 스펙트럼 데이터,
도 4는 오브젝트에 QWP를 놓고 10° 씩 회전시키면서 Δ_a(k)를 측정한 결과, 그리고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 스냅샷(snapshot/single shot) 방식으로 측정 대상이 되는 오브젝트(160)의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 실시간/고속으로 측정하기 위한 시스템이다.

본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 기계적 회전기구나 전기적인 변조소자를 이용하지 않으며, 오직 하나의 간섭분광 데이터만을 통해 다파장에 대한 정보를 갖는 스톡스 벡터(Stokes vector)를 실시간으로 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(110), 광 파이버(120), 콜리메이팅 렌즈(130), LP(Linear Polarizer)(140), 아이리스(150), BS(Beam Splitter)(170), PMM(Polarization Modulation Module)(180) 및 LP(Linear Polarizer)(190)를 포함한다.

광원(110)으로 백색 광원(white light source)을 사용하며, 이를 테면 100W 텅스텐-할로겐 램프(100W Tungsten-Halogen lamp)를 사용가능 하지만, 그 밖의 다른 종류의 광원을 사용하는 것도 가능하다.

광원(110)에서 조사된 광은 광 파이버(120)로 전달되어 콜리메이팅 렌즈(130)에서 평행광으로 변환된다. 이 평행광은 LP(140)에서 45° 방향으로 선형 편광된다. 아이리스(150)는 LP(140)를 통과한 선형 편광의 크기를 조절한다.

아이리스(150)에 의해 적정 크기로 조절된 선형 편광은 측정대상이 되는 이방성을 갖는 투과형 오브젝트(160)를 통과한 후, BS(170)를 투과하여 PMM(180)으로 입사한다.

PMM(180)은 오브젝트(160)를 통과한 파동을 편광 변조하는 일체형 편광간섭계이다. PMM(180)는, 도 1에 도시된 바와 같이, PBS(Polarizing Beam Splitter)(181), 미러(Mirror)들(183, 185)을 포함한다.

PBS(181)는 입사되는 복합파를 분리하여, P 편광은 투과시켜 미러(183)로 입사시키고, S 편광은 반사하여 미러(185)로 입사시킨다.

미러들(183, 185)은 PBS(181)에 부착/고정되어 있다. 구체적으로, 미러(183)은 PBS(181)의 일 측면에 부착되어 PBS(181)를 투과한 P 편광을 반사하고, 미러(185)는 PBS(181)의 하면에 부착되어 PBS(181)에서 반사된 S 편광을 반사한다.

분광편광 신호에 고주파 신호를 생성하기 위해, PMM(180) 내에서 PBS(181)를 투과한 후 미러(183)에서 반사되어 PBS(181)를 투과하는 P 편광의 광경로 길이와 PBS(181)에서 반사된 후 미러(185)에서 반사되고 PBS(181)에서 반사되는 S 편광의 광경로 길이는 차이가 있다. 즉, 어느 한 광경로 길이가 다른 한 광경로 길이 보다 20~60μm 길다. P 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하고, S 편광의 광경로 길이가 길어도 무방하다.

광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, PBS(181)와 미러(183) 간의 부착 간격과, PBS(181)와 미러(185) 간의 부착 간격은 차이가 있다. 즉, 미러(183)와 미러(185) 중 어느 하나가 다른 하나 보다 PBS(181)에 20~60μm 만큼 더 떨어져 있다.

20~60μm의 간격 차이를 위해, 미러(183)와 미러(185) 사이에 20~60μm 광경로 차를 갖도록 정밀하게 두 미러를 정렬을 하거나, 경로 차 정도의 두께를 갖는 ㅅ페이서를 삽입할 수 있다.

한편, PMM(180)의 구성을 PBS(181)와 두 개의 미러(183, 185)의 조합이 아닌 NPBS(Non-polarizing Beam Splitter)와 두 개의 Polarizer, 두 개의 미러의 조합으로 구성할 수 있다. 이와 같은 조합의 구성을 도 2에 도시하였다.

도 2에서는, 도 1에 도시된 PBS(181) 1개의 역할을, NPBS(186)에 의해 분리된 두 빔 경로에 일체형으로 붙여진 서로 수직 편광 방향의 두 LP(Linear Polarizer)들(187,188)의 조합으로 대체한 구조를 나타내었다. PBS는 약 1/1000의 제한적인 편광 소광비 (extinction ratio)를 가지기 때문에 편광측정 최고성능에 제한이 있을 수 있다. 이에, NPBS와 두 Polarizer의 조합으로 PBS의 기능을 대체해서 수행할 시 높은 소광비를 갖게 할 수 있다.

미러들(183,185)은 LP들(187,188)에 부착/고정되며, 광경로 길이 차이를 발생시키기 위해, LP(P-편광방향)(187)와 미러(183) 간의 부착 간격과, LP(S-편광방향)(188)와 미러(185) 간의 부착 간격은 차이가 있음은, 도 1에 도시된 바와 동일하다.

다시, 도 1을 참조하여 설명한다.

PMM(180)에 의해 편광 변조된 두 파동은 BS(170)에서 반사된 후, LP(190)에서 45° 방향으로 선형편광 됨으로써 간섭이 발생한다. 간섭파는 단일 분광 센싱 모듈(Single Spectrum Sensing Module)(미도시)로 입사한다. 단일 분광 센싱 모듈은 센서어레이 타입의 분광기가 될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스냅샷 분광편광계에 포함된 LP(140)는, 광 간섭의 콘트라스트를 향상시키기 위한 요소이다.

단일 분광 센싱 모듈은 스냅샷 방식으로 투과형 이방성 소자의 분광편광 정보를 나타내는 스톡스 벡터를 측정한다.

이하에서는, PMM(180)으로 구현한 일체형 편광간섭계에서의 편광 변조에 의해 발생하는 간섭 현상을 수식으로 상세히 설명한다.

단일 분광 센싱 모듈에 의해 측정된 분광편광 정보는 다음의 수학식 (1)로 표현 가능하다.

(1)

여기서, k는 파수(wavenumber)로 2π/λ이고, E_p _{_45°}(k)와 E_s _{_45°}(k)는 다음의 수학식 (2)로 표현되는 E_p(k)와 E_s(k)의 복합파(complex wave)에 대한 45° 성분이다.

(2)

여기서, E_in(k)은 일체형 편광간섭계의 입구에서의 입력 파동을 나타낸다. E_p(k)는 PBS(181)를 투과하고 미러(183)에서 반사되어 진행하는 P 편광이고, E_s(k)는 PBS(181)와 미러(185)에서 반사되어 진행하는 S 편광이다. z_p와 z_s는, 일체형 편광간섭계 내에서 P-편광과 S-편광의 광 경로 길이를 각각 나타낸다.

한편, 오브젝트(160)가 없는 경우의 분광간섭 신호는 다음의 수학식 (3)으로 표현된다.

(3)

여기서, z₀은 광 경로 길이 차로 z₀=｜z_p-z_s｜이다. z_p과 z_s 간의 광 경로 차는 스냅샷으로 편광분광위상을 얻기 위해 필요한 고주파 분광간섭을 발생시킨다. 스펙트럼 위상 함수 Φ^no ^_object(k)는 스펙트럼 도메인에 적용되는 푸리에 변환 기법이나 다이렉트 위상 계산법을 이용하여 도출 가능하다.

오브젝트(160)가 있는 경우의 분광간섭 신호는 다음의 수학식 (4)로 표현된다.

(4)

투과성 오브젝트(160)이 없는 경우와 있는 경우 각각에 대한, 일체형 편광간섭계의 입구에서 입사파 E_in(k)은 다음의 수학식 (5)로 표현된다.

(5)

스펙트럼 위상 함수 Φ^object(k)는 전술한 푸리에 변환 기법 등으로 도출할 수 있다. 오브젝트(160)에 의해 발생하는 위상 차 Δ_a(k)는, 다음의 수학식 (6)과 같이, Φ^object(k)에서 Φ^no ^_object(k)를 감산하여 산출한다.

(6)

도 3은 오브젝트(160)가 없는 경우, 단일 분광 센싱 모듈에서 측정되는 간섭 스펙트럼 데이터이고, 도 4는 오브젝트(160)에 QWP(Quarter Wave Plate)를 놓고 10° 씩 회전시키면서 Δ_a(k)를 측정한 결과이다.

도 4에서 실선은 본 발명의 실시예에 따른 기법으로 측정한 것이고, 점선은 기계적인 편광소자 방식의 기법으로 측정한 것인데, 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 편광간섭계를 이용한 스냅샷 분광편광계를 도시한 도면이다.

도 5에 도시된 스냅샷 분광편광계는 나노 패턴 및 롤 나노 패턴 등과 같은 반사형 시료에 대한 분광편광 정보를 측정하기 위한 시스템이라는 점에서, 투과형 시료에 대한 분광편광 정보를 측정하기 위한 도 1에 도시된 시스템과 구조적으로 차이를 보인다.

도 5에 도시된 구성들 중 광원(210), 광 파이버(220), 콜리메이팅 렌즈(230), LP(240), PMM(270) 및 LP(280)은, 도 1에 도시된 광원(110), 광 파이버(120), 콜리메이팅 렌즈(130), LP(140), PMM(180) 및 LP(190)와 동등하게 구현하여도 무방하다.

렌즈(261)와 NPBS들(263, 265)는 LP(140)에서 선형 편광된 광을 측정대상이 되는 반사형 오브젝트(250)로 전달하고, 반사형 오브젝트(250)에서 출사되는 복합파를 PMM(270)으로 입사시키며, PMM(270)에서 편광 변조된 두 파동을 LP(280)로 입사시키기 위한 구성들이다.

LP(280)로 입사된 두 파동은 45° 방향으로 선형편광 됨으로써 간섭되며, 간섭파는 렌즈(290)를 통해 분광계(300)로 입사된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 광원 120 : 광 파이버
130 : 콜리메이팅 렌즈 140,190 : LP(Linear Polarizer)
150 : 아이리스 170 : BS(Beam Splitter)
180 : PMM(Polarization Modulation Module)
181 : PBS(Polarizing Beam Splitter)
183, 185 : 미러(Mirror)

Claims

입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터;
상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
청구항 1에 있어서,
상기 일체형 편광간섭 장치 내에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 미러는, 상기 편광 빔 스플리터에 직접 또는 스페이서를 사이에 두고 부착되고,
상기 제2 미러는, 상기 편광 빔 스플리터에 스페이서를 사이에 두고 또는 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
청구항 3에 있어서,
상기 차이는,
20 ~ 60μm인 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 편광은 P-편광이고,
상기 제2 편광은 S-편광인 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.
광원에서 조사되는 광을 선형 편광시키는 제1 선형 편광자;
상기 제1 선형 편광자에서 출사되어 오브젝트를 투과 또는 반사하여 생성된 복합파를 편광 변조하는 일체형 편광간섭계;
상기 일체형 편광간섭계에서 출사되는 두 파동을 간섭시키는 제2 선형 편광자; 및
상기 제2 선형 편광자에서 출사되는 광의 분광편광 정보를 측정하는 측정 장치;를 포함하고,
상기 일체형 편광간섭계는,
입사되는 복합파를 분리하는 편광 빔 스플리터;
상기 편광 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 제1 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러; 및
상기 편광 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 편광 빔 스플리터에서 반사된 제2 편광을 상기 편광 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 선형 편광자와 상기 제2 선형 편광자는,
같은 방향의 선형 편광자인 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
청구항 6에 있어서,
상기 일체형 편광간섭계에서, 상기 제1 편광의 경로 길이는 상기 제2 편광의 경로 길이와 차이가 있는 것을 특징으로 하는 스냅샷 분광편광계.
입사되는 복합파를 분리하는 빔 스플리터;
상기 빔 스플리터의 제1 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터를 투과한 광을 편광시키는 제1 편광자;
상기 제1 편광자에서 출사되는 상기 제1 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제1 미러;
상기 빔 스플리터의 제2 면에 부착되어, 상기 빔 스플리터에서 반사된 광을 편광시키는 제2 편광자; 및
상기 제2 편광자에서 출사되는 상기 제2 편광을 상기 빔 스플리터로 반사하는 제2 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 편광간섭계.