KR101214854B1 - 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 광원; 측정 시료가 놓여지는 시료대; 상기 시료대와 평행하게 배치되고, 주사되는 기준빛을 반사시키는 제1 반사부; 상기 광원에서 발생된 광을 주파수가 다르고 편광 방향이 서로 수직한 제1 빛 및 제2 빛으로 분리하는 제1 편광빛살가르개(PBS); 상기 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하여 제공하는 기준빛 생성부; 상기 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하여 제공하는 신호빛 생성부; 상기 제1 로컬신호와 제2 로컬신호의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제1 광 검출수단(PD1); 및 상기 제2 반사부로 주사된 후 반사되는 기준빛과 시료로 주사된 후 반사되는 신호빛의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제2 광 검출수단(PD2);을 구비하고, 상기 기준빛 및 신호빛은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 기준빛과 신호빛이 동일한 광학 경로 길이를 갖으면서, 굉장히 컴팩트(Compact)한 구조를 갖게 되므로, 외부 노이즈를 줄일 수 있어 안정적인 측정이 가능하다는 장점을 갖는다.

Description

이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계{A heterodyne interferometer using dual-mode light source}
본 발명은 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 기존의 간섭계에 비하여 안정적인 측정이 가능한 새로운 구조의 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 관한 것이다.
주사현미경과 같은 광학측정장치를 이용한 광학진단은 회절현상으로 인하여 다른 측정방법에 비해 상대적으로 낮은 공간 해상도를 가짐에도 불구하고, 대상물의 광학적인 특성을 진단할 수 있기 때문에 기초 학문 연구와 산업적인 응용 연구에 있어서 매우 중요한 도구로 활용되어 왔다. 많은 광학 진단 기술들 중에서 두 빛살 스캐닝 간섭계(scanning two-beam interferometer; 이하, STBI) 기술은 높은 깊이 해상도로 샘플 표면(surface under test; SUT)의 3차원 이미지를 제공할 수 있기 때문에, 많은 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라 표면 구조를 이미징하기 위한 다양한 STBI 구조가 제안되었다. STBI 구조에서, 두 개의 빛 중 하나는 신호빛(Probe beam)이며, 나머지 하나는 기준빛(reference beam)으로 사용하고, 신호빛과 기준빛의 주파수가 같을 경우 이를 호모다인(homodyne) 간섭계라고 하며, 다를 경우 이를 헤테로다인(heterodyne) 간섭계라고 한다.
반사모드로 STBI가 동작하는 경우, 신호빛은 촛점렌즈를 통해 샘플 표면에 포커싱되고, 반사빛은 상기 촛점렌즈를 다시 지나 상기 신호빛과 동일한 경로를 따라 간섭계로 주사된다. 이에 따라, 샘플 표면에 주사된 신호빛은 위상이 변조되는데, 근접한 두 개의 주사점 사이에서의 위상차는 그들 사이의 기하학적 이동 경로에 따라 비례하게 된다. 호모다인 간섭계의 경우, 상기 변조된 위상은 베이스밴드 신호로 직접 변환되는데, 샘플 표면을 스캐닝하는 동안 최적의 위상 복조 조건을 유지하기 위하여, 신호빛과 기준빛의 상대적인 위상은 피드백 제어 루프에 의해 적절하게 편향되어야만 한다.
헤테로다인 간섭계의 경우, 변조된 위상은 중간 주파수로 하향 변환되고, 위상변화를 측정하기 위해서는 또 다른 RF 복조 과정이 요구된다. 위상잠금루프(phase-locked-loop; PLL)는 호모다인 간섭계에 있어서 반드시 요구되는 복잡한 과정인 간섭계의 한쪽 이동 경로를 피드백 제어하는 과정을 생략할 수 있도록 해주므로, 매우 효과적인 복조 기술이다.
한편, 샘플 표면을 조사하는 동안 표면 구조로 인하여 신호빛이 산란되거나, 표면 높이 변화로 인하여 촛점이 이탈되기 때문에, 신호빛은 위상 변조와 더불어 진폭 변조가 일어나고, 표면이 비동질적일 경우에는 지역적 반사 계수도 변하게 되므로, 일반적으로 주사과정에서의 신호빛은 위상과 진폭이 모두 변조될 수 밖에 없다. 이러한 진폭의 변화 중 점진적 변화는 PLL에서 rf-자동이득제어(automatic gain control; AGC) 단계를 통해 보상받을 수 있다. 그러나, 대부분의 표면 구조에서 진폭 변화는 위상 변화만큼 빠르게 진행되므로, 자동이득제어를 사용하더라도 보상받을 수 없기때문에, 종래의 STBI를 이용하여 얻은 이미지로는 실제 샘플 표면을 정확하게 나타낼 수 없게 된다.
따라서, 신호빛의 진폭과 위상이 각각 구분되어져 동시에 측정된다면 표면 진단에 있어서 매우 중요한 정보가 된다. 이에 대해, 본 발명의 발명자 그룹에 의해 동시에 신호빛의 위상과 진폭을 측정하여 표면의 복잡한 분석을 할 수 있는 호모다인 I/Q-간섭계(in-phase and quadrature interferometer)에 대한 자세한 내용과 이용한 표면 현미경에 대한 연구 결과가 참고문헌 1(H.Jeong, J.H.Kim, and K.Cho, "Complete mapping of complex reflection coefficient of a surface using a scanning homodyne multiport interferometer," Opt.Comm.204,45-52(2002))에 나와 있다. 그러나, 호모다인 I/Q-간섭계의 경우, 간섭계가 제대로 작동하기 위해서는 매우 어렵고 전문적인 기술을 필요로 하는 정렬과정이 필요하다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 본 발명의 발명자 그룹에서는 위상과 진폭의 변화를 동시에 측정할 수 있는 헤테로다인 I/Q-간섭계 기술을 개발하였고, 이에 대한 연구 결과가 참고문헌 2(K.Kwon, B.Kim, K.cho, "A new scanning heterodyne interferometer scheme for mapping both surface structure and effective local reflection coefficient", Opt.Express 16, 13456-13464(2008))에 나와있다. 도 1에 나타난 구조를 갖는 상기 헤테로다인 I/Q-간섭계 기술을 통해, 진폭 이미지가 효과적인 지역 반사 계수 규모의 맵을 나타내는 동안, 위상 이미지는 표면의 실제 3차원 구조를 나타내게 된다. 그러나, 도 1에 도시한 것과 같이, 종래의 헤테로다인 I/Q-간섭계 기술에는 많은 광학 기구가 사용되므로, 공간적인 실험 반경이 넓어지게 되고, 신호빛과 기준빛에 대한 노이즈 요인들이 달라질 수 밖에 없어, 오차가 발생 확률이 높아져 안정적인 실험을 하는데 한계가 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기준빛와 신호빛이 경로 구간 길이가 동일하고 간단한 구조를 형성하여, 위상과 진폭을 동시에 측정할 수 있으면서도 안정적인 측정이 가능한 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 광원; 측정 시료가 놓여지는 시료대; 상기 시료대와 평행하게 배치되고, 주사되는 기준빛을 반사시키는 제1 반사부; 상기 광원에서 발생된 광을 편광 방향이 서로 수직한 제1 빛 및 제2 빛으로 분리하는 제1 편광빛살가르개(PBS); 상기 제1 빛을 주파수가 다르고 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하여 제공하는 기준빛 생성부; 상기 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하여 제공하는 신호빛 생성부; 상기 제1 로컬신호와 제2 로컬신호의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제1 광 검출수단(PD1); 및 상기 제1 반사부로 주사된 후 반사되는 기준빛과 시료로 주사된 후 반사되는 신호빛의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제2 광 검출수단(PD2);을 구비하고, 상기 기준빛 및 신호빛은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 기준빛 생성부는 상기 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제1 편광회전기(PR); 상기 제1 편광회전기에서 편광 회전된 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하는 제2 편광빛살가르개(PBS); 상기 제2 편광빛살가르개와 제1 반사부의 사이에 배치되는 제1 사분파장 위상지연판(QWP);을 구비하고, 상기 신호빛 생성부는 상기 분리된 제2 빛의 진행방향을 상기 제1 빛의 진행방향과 평행하도록 반사하는 제2 반사부; 상기 제2 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제2 편광회전기(PR); 상기 제2 편광회전기에서 편광 회전된 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하는 제3 편광빛살가르개(PBS); 상기 제3 편광빛살가르개와 시료대의 사이에 배치되는 제2 사분파장 위상지연판;을 구비하고, 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 제2 편광빛살가르개와 제3 편광빛살가르개 사이에 반파장 위상 지연판(HWP)을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 기준빛 생성부는 상기 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제1 패러데이셀(Faraday cell); 상기 제1 편광회전기에서 편광 회전된 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하는 제2 편광빛살가르개(PBS); 상기 제2 편광빛살가르개와 제1 반사부의 사이에 배치되는 제1 사분파장 위상지연판(QWP);을 구비하고, 상기 신호빛 생성부는 상기 분리된 제2 빛의 진행방향을 상기 제1 빛의 진행방향과 평행하도록 반사하는 제2 반사부; 상기 제2 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제2 패러데이셀(Faraday cell); 상기 제2 편광회전기에서 편광 회전된 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하는 제3 편광빛살가르개(PBS); 상기 제3 편광빛살가르개와 시료대의 사이에 배치되는 제2 사분파장 위상지연판;을 구비하고, 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 제2 편광빛살가르개와 제3 편광빛살가르개 사이에 제1 반파장 위상 지연판(HWP)을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 광원은 서로 수직으로 편광되고 각 편광 성분이 서로 다른 주파수를 갖는 이중 편광 및 이중 주파수를 갖는 광을 출력하는 헤테로다인 광원인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 제2 반사부는 프리즘 및 반사경 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광회전기는 하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 제1 및 제2 패러데이셀은 하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 제1 및 제2 사분파장 위상지연판은 하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 기준빛 생성부는 상기 제1 편광회전기와 제2 편광빛살가르개 사이에 제1 편광판을 배치하고, 상기 신호빛 생성부는 상기 제2 편광회전기와 제3 편광빛살가르개 사이에 제2 편광판을 배치하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광판은 하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 제1 및 제2 로컬신호가 제2 편광빛살가르개로부터 제1 광 검출수단으로 진행되는 경로 사이에 제3 편광판을 더 구비하여 제1 로컬신호와 제2 로컬신호의 간섭신호를 생성하고, 기준빛 및 신호빛이 제3 편광빛살가르개로부터 제2 광 검출수단으로 진행되는 경로 사이에 제4 편광판을 더 구비하여 기준빛과 신호빛의 간섭신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 신호빛 생성부는 상기 제1 편광빛살가르개로부터 분리된 제2 빛이 제2 반사부로 진행되는 경로 사이에 제2 반파장 위상지연판을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계에 있어서, 상기 신호빛 생성부는 상기 제1 편광빛살가르개로부터 분리된 제2 빛이 제2 반사부로 진행되는 경로 사이에 스페이서(spacer)를 더 배치하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 기준빛과 신호빛이 동일한 광학 경로 길이를 갖으면서, 굉장히 컴팩트(Compact)한 구조를 갖게 되므로, 외부 노이즈를 줄일 수 있어 안정적인 측정이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 기준빛 생성부 및 신호빛 생성부를 하나의 스테이지 위에 정렬하는 것이 가능하므로 외부에 의한 진동이나 스테이지 이동 시에 발생하는 진동으로 인한 정렬 오차를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계를 구성하고 있는 제1, 제2 및 제3 편광빛살가르개를 통해 제1 반사부 및 시료로부터 반사되어 나오는 기준빛 및 신호빛이 광원 방향으로 진행되는 것을 막는 구조가 된다. 따라서, 이러한 구조로 인하여 기준빛이나 신호빛이 광원 방향으로 흘러들어가 노이즈를 발생시키는 것을 방지하기 위한 광학 고립기(Optical Isolator)를 구비하지 않아도 되므로 구조가 간단해지게 된다.
또한, 본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 종래 기술(도 1 참조)에서와 같이 로컬신호를 간섭계의 앞 단에서 추출하는 것이 아니라 제2 및 제3 편광빛살가르개로 분리되기 전까지 기준빛 및 신호빛과 동일하게 진행되므로, 제2 및 제3 편광빛살가르개까지의 이동 경로가 동일하여 제2 및 제3 편광빛살가르개 이전의 노이즈를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 헤테로다인 간섭계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 구성을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 실제 적용 예를 도시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태를 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계를 개략적으로 도시한 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 구성을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계(10)는 광원(100), 제1 편광빛살가르개(Polarizing Beam Splitter; PBS)(110), 기준빛 생성부(120), 신호빛 생성부(130), 제1 광 검출수단(140), 제2 광 검출수단(150), 제1 반사부(160) 및 시료대(170)를 구비하고, 상기 기준빛 및 신호빛은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 광원(100)은 레이저 광원인 것이 바람직하며, 특히 두 개의 모드가 존재하여 서로 다른 두 개의 주파수를 갖는 광을 출력하는 이종 모드(dual mode)의 헤테로다인 광원인 것이 바람직하다. 상기 두 개의 모드는 서로 수직 선형 편광 상태에 있어 하나의 모드가 P 편광이면 나머지 모드는 S 편광 상태에 있게 된다. 본 발명에서는 632.8nm의 파장을 갖는 이종 모드 레이저를 사용하였다.
상기 시료대(170)는 측정시료가 놓여진다.
상기 제1 반사부(160)는 상기 시료대와 평행하게 배치되며, 주사되는 기준빛을 반사시키는 역할을 한다. 따라서, 상기 제1 반사부(160)는 반사경인 것이 바람직하다.
상기 제1 편광빛살가르개(110)는 상기 광원(100)에서 발생된 광을 편광 방향이 서로 수직한 제1 빛 및 제2 빛으로 분리한다. 일반적인 편광빛살가르개의 경우 P 편광된 빛은 투과시키고, S 편광된 빛은 반사시킨다. 따라서, P편광 모드의 빛과 S 편광 모드의 빛을 갖는 상기 광원으로부터 편광 방향이 서로 수직한 두 빛으로 분리가 가능하며, 본 발명에서는 설명의 편의성을 위해 투과되는 P 편광모드의 빛을 제1 빛, 반사되는 S 편광모드의 빛을 제2 빛이라고 임의로 정한다.
상기 기준빛 생성부(120)는 상기 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(Local Oscillator; LO) 및 기준빛(Reference Beam; RB)으로 분리하여 제공한다. 상기 기준빛 생성부는(120)는 제1 빛을 제1 로컬신호 및 기준빛으로 분리하기 위하여, 적어도 하나 이상의 광학기구로 구성되며, 상기 광학기구의 종류는 필요에 따라 결정된다.
상기 신호빛 생성부(130)는 상기 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛(Probe Beam; PB)으로 분리하여 제공한다. 상기 기준빛 생성부(120)와 마찬가지로 제2 빛을 제2 로컬신호 및 신호빛으로 분리하기 위하여, 적어도 하나 이상의 광학기구로 구성되며, 상기 광학기구의 종류는 필요에 따라 결정된다.
또한, 상기 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)는 분리된 기준빛 및 신호빛이 각각 제1 반사부(160)와 시료대(170)의 시료에서 반사되어 나온 후, 정해진 경로를 거쳐 동일한 검출수단으로 제공될 수 있게 한다. 따라서, 상기 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)의 구조는 독립적으로 분리되어 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계(10)를 구성하기 어려우며, 계산되어진 정렬 과정에 따라 유기적으로 구성되는 것이 당연하다. 상기 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)의 구체적인 구조는 다음에 설명한다.
상기 제1 광 검출수단(Photo Diode; PD)(140)은 상기 제1 로컬신호 및 제2 로컬신호의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공한다.
상기 제2 광 검출수단(PD)(150)은 제2 반사부로 주사된 후 반사되는 기준빛과 시료로 주사된 후 반사되는 신호빛의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공한다.
상기 제1 및 제2 광 검출수단(140, 150)을 통해 검출된 제1 및 제2 로컬신호의 간섭신호 및 기준빛과 신호빛의 간섭신호를 조합하여 광학적으로 의미있는 신호로 처리하는 과정은 본 명세서에서 벗어나는 범위의 내용이며, 종래 기술과 동일하므로 설명은 생략한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 구성을 통해 소형의 헤테로다인 간섭계를 구현할 수 있으며, 기준빛과 신호빛이 동일한 광학 경로 길이를 갖게 된다. 따라서, 외부 노이즈를 줄일 수 있어서 안정적인 측정이 가능해진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)의 구조를 구체적으로 설명한다.
먼저, 기준빛 생성부(120)에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 상기 기준빛 생성부(120)는 제1 편광회전기(Polarization Rotator; PR)(122), 제2 편광빛살가르개(124) 및 제1 사분파장 위상지연판(Quater Wave Plate; QWP)(125)를 포함한다.
상기 제1 편광회전기(122)는 상기 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시킨다. 상기 제1 편광빛살가르개(110)으로부터 분리된 제1 빛은 P 편광 모드이므로, 상기 제1 빛을 제2 편광빛살가르개(124)를 통해 두 개의 빛으로 분리하기 위해서는 편광방향을 45도 또는 -45도로 회전시켜야 한다. 상기 제1 편광회전기(122)는 P 편광 모드로 진입하는 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 역할을 하며, 상기 사전에 설정된 각도는 45도 및 -45도 중 어느 하나이다. 또한, 45도 또는 -45도의 빛만을 추출하기 위해서 상기 기준빛 생성부(120)는 상기 각도의 광축을 갖는 제1 편광판(123)을 더 구비할 수 있다.
상기 제2 편광빛살가르개(124)는 상기 제1 편광회전기(122)에서 편광 회전된 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 두 빛으로 분리한다. 이때, 반사되는 S 편광 모드의 빛을 제1 로컬신호(LO)라 하고, 투과되는 P 편광 모드의 빛을 기준빛이라 한다. 상기 제1 및 제2 로컬신호를 검출하는 제1 광 검출수단(140)은 상기 제2 편광빛살가르개(124)로부터 반사되어 진행되는 제1 로컬신호의 진행 방향에 배치되게 된다.
또한, 상기 투과되는 기준빛은 제1 반사부(160)로 주사되고, 반사되어 다시 제2 편광빛살가르개(124)로 진입한다. 이때, 기준빛이 P 편광 모드인 채로 제2 편광빛살가르개(124)로 재입사되는 경우, 상기 기준빛은 제2 편광빛살가르개(124)를 그대로 투과하여 광원 방향으로 진행된다. 따라서, 상기 기준빛을 검출하기 위해서는 상기 제2 편광빛살가르개(124)에서 상기 제1 반사부로부터 반사된 기준빛을 투과가 아닌 반사시켜야 하므로, 상기 제2 편광빛살가르개(124)와 제1 반사부(160) 사이에 제1 사분파장 위상지연판(125)을 구비하여야 한다.
상기 기준빛은 제1 사분파장 위상지연판(125)을 상기 제2 편광빛살가르개(124)로부터 제1 반사부(160)로 주사될 때 한 번 통과하게 되고, 제1 반사부(160)에서 반사되어 상기 제2 편광빛살가르개(124)로 재입사될 때 다시 통과함으로써, 편광 방향이 90도 변하게 된다. 따라서, 제1 사분파장 위상지연판(125)을 통과하기 전 P 편광 모드였던 기준빛은 상기 제1 사분파장 위상지연판(125)을 왕복으로 진행하면서 S 편광 모드로 변환되고, 상기 S편광 모드로 변환된 기준빛은 제2 편광빛살가르개(124)에서 반사되어 제2 광 검출수단(170)이 배치된 방향으로 진행된다.
이후, 기준빛의 진행에 대해서 신호빛 생성부(130)의 구조를 설명한 후 언급하기로 한다.
다음, 신호빛 생성부(130)에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 상기 신호빛 생성부(130)는 제2 반사부(131), 제2 편광회전기(132), 제3 편광빛살가르개(134) 및 제2 사분파장 위상지연판(Quater Wave Plate; QWP)(135)를 포함한다.
상기 제2 반사부(131)은 상기 제1 편광빛살가르개(110)로부터 분리된 제2 빛의 진행방향을 상기 제1 빛의 진행방향과 평행하도록 반사한다. 상기 제2 반사부(131)는 프리즘 및 반사경 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 편광회전기(132)는 상기 제2 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시킨다. 상기 제1 편광빛살가르개(110)로부터 분리된 제2 빛은 S 편광 모드이므로, 상기 제2 빛을 제3 편광빛살가르개(134)를 통해 두 개의 빛으로 분리하기 위해서는 편광방향을 45도 또는 -45도로 회전시켜야 한다. 상기 제2 편광회전기(132)는 P 편광 모드로 진입하는 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 역할을 하며, 상기 사전에 설정된 각도는 45도 및 -45도 중 어느 하나이다. 또한, 45도 또는 -45도의 빛만을 추출하기 위해서 상기 신호빛 생성부(130)는 상기 각도의 광축을 갖는 제2 편광판(133)을 더 구비할 수 있다.
상기 제3 편광빛살가르개(134)는 상기 제2 편광회전기(132)에서 편광 회전된 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 두 빛으로 분리한다. 이때, 반사되는 S 편광 모드의 빛을 제2 로컬신호(LO)라 하고, 투과되는 P 편광 모드의 빛을 신호빛이라 한다. 상기 제2 로컬신호(LO)는 상기 기준빛 생성부(120)를 거쳐 제1 광 검출수단(140)으로 진행하게 된다.
한편, 상기 제2 로컬신호는 기준빛 생성부(120)를 투과하여 상기 제1 광 검출수단(140)으로 진행하기 위해서는, 상기 기준빛 생성부(120)의 제2 편광빛살가르개(124)를 투과하여야 한다. 하지만, 상기 제3 편광빛살가르개(134)로부터 분리된 제2 로컬신호는 S 편광 모드의 빛으로서, 제2 편광빛살가르개(124)로 입사되면 반사되어 제1 광 검출수단(140)으로 진행할 수 없게 된다. 따라서, 상기 제2 로컬신호가 기준빛 생성부(120)으로 진입하기 전, 즉, 상기 제3 편광빛살가르개(134)와 제2 편광빛살가르개(124) 사이에 제1 반파장 위상지연판(HWP, 180)을 배치하여 상기 제2 로컬신호의 편광방향을 수직으로 회전시킨다. 상기 제1 반파장 위상지연판(180)을 통과한 제2 로컬신호는 P 편광모드의 빛으로 변환되어 제2 편광빛살가르개(124)를 투과한 후 제1 광 검출수단(140)으로 진입한다.
여기서, 상기 기준빛 생성부(120)에서 제1 반사부(160)으로부터 반사된 후 제2 편광빛살가르개(124)로 입사되어 반사된 기준빛의 이후 진행경로에 대해서 설명한다. 상기 제2 편광빛살가르개(124)로부터 반사된 기준빛은 제2 편광빛살가르개(124)와 제3 편광빛살가르개(134) 사이에 배치된 제1 반파장 위상지연판(180)을 통과한다. 통과하기 전 S 편광모드의 빛이었던 기준빛은 상기 제1 반파장 위상지연판(180)을 통과하면서 P 편광모드의 빛으로 변환되고, 제3 편광빛살가르개(134)로 진입한다. 상기 제3 편광빛살가르개(134)는 상기 P편광모드의 기준빛을 투과시키고, 상기 투과된 기준빛은 그 진행방향에 배치된 제2 광 검출수단(150)에 의해 검출되게 된다.
다시 신호빛 생성부의 구조 설명으로 돌아가, 제3 편광빛살가르개(134)로부터 투과되는 신호빛은 시료대에 놓여진 측정 시료로 주사되고, 반사되어 다시 제3 편광빛살가르개(134)로 진입한다. 이때, 신호빛이 P 편광 모드인 채로 제3 편광빛살가르개(134)로 재입사되는 경우, 상기 신호빛은 제3 편광빛살가르개(124)를 그대로 투과하여 광원 방향으로 진행된다. 따라서, 상기 신호빛을 검출하기 위해서는 상기 제3 편광빛살가르개(134)에서 상기 시료로부터 반사된 신호빛을 투과가 아닌 반사시켜야 하므로, 상기 제3 편광빛살가르개(134)와 시료대(170) 사이에 제2 사분파장 위상지연판(135)을 구비하여야 한다.
상기 신호빛은 제2 사분파장 위상지연판(135)을 상기 제3 편광빛살가르개(134)로부터 시료로로 주사될 때 한 번 통과하게 되고, 시료에서 반사되어 상기 제3 편광빛살가르개(134)로 재입사될 때 다시 통과함으로써, 편광 방향이 90도 변하게 된다. 따라서, 제2 사분파장 위상지연판(135)을 통과하기 전 P 편광 모드였던 기준빛은 상기 제2 사분파장 위상지연판(135)을 왕복으로 진행하면서 S 편광 모드로 변환되고, 상기 S편광 모드로 변환된 기준빛은 제3 편광빛살가르개(134)에서 반사되어 제2 광 검출수단(170)이 배치된 방향으로 진행된다.
정리하면, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계로부터 4개의 신호, 즉, 제1 로컬신호, 제2 로컬신호, 기준빛 및 신호빛이 생성된다. 상기 생성된 4개의 신호 중 제1 로컬신호 및 제2 로컬신호는 각각 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)에서 분리되어 시료나 제1 반사부에 주사됨이 없이 제1 광 검출수단(140)에서 간섭신호로서 검출된다. 상기 제1 로컬신호 및 제2 로컬신호는 편광방향이 서로 수직하므로, 본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 기준빛 생성부(120)의 제2 편광빛살가르개로부터 상기 제1 광 검출수단(140)로 진행되는 경로 사이에 45도의 광축을 갖는 제3 편광판(190)을 더 구비하고, 상기 제1 및 제2 로컬신호의 간섭신호를 생성하여 제1 광 검출수단(140)으로 제공한다.
또한, 상기 생성된 4개의 신호 중 나머지 기준빛 및 신호빛은 각각 기준빛 생성부(120) 및 신호빛 생성부(130)에서 제1 반사부 및 시료로부터 반사된 후 제2 광 검출수단(150)에서 간섭신호로서 검출된다. 상기 기준빛 및 신호빛은 편광방향이 서로 수직하므로, 전술한 바와 마찬가지로 신호빛 생성부(130)의 제3 편광빛살가르개로부터 상기 제2 광 검출수단(150)로 진행되는 경로 사이에 45도의 광축을 갖는 제4 편광판(195)을 더 구비하고, 상기 기준빛 및 신호빛의 간섭신호를 생성하여 제2 광 검출수단(150)으로 제공한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 기준빛 생성부(120)의 제2 편광빛살가르개(124)와 상기 신호빛 생성부(130)의 제3 편광빛살가르개(134)의 사이에 배치된 제1 반파장 위상지연판(180)으로 인하여 발생되는 공간길이를 맞추기 위하여 상기 제1 편광빛살가르개(110)와 제2 반사부(131) 사이에 스페이서(Spacer, 136)을 더 구비할 수 있다. 상기 스페이서는 제1 반파장 위상지연판(180)과 동일한 두께를 갖으며 빛을 그대로 투과하는 역할을 한다.
또한, 상기 스페이서(136)는 제2 반파장 위상지연판으로 대체될 수 있다. 상기 제2 반파장 위상지연판(HWP)은 상기 신호빛 생성부(130)는 상기 제1 편광빛살가르개(110)로부터 분리된 제2 빛을 P 편광모드로 변환시켜 상기 제2 편광회전기(132)로 P 편광 모드의 제2 빛을 입사시킬 수 있다. 이때에는 상기 기준빛 생성부(120)와 동일한 광축을 갖는 제2 편광회전기(132) 및 제2 편광판(133)을 배치시킬 수 있다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭게는 구조의 간소화를 위하여 제1 편광회전기(122)와 제2 편광회전기(132), 제1 편광판(123)과 제2 편광판(133)을 하나로 형성하여 배치할 수 있다. 마찬가지로, 제1 및 제2 사분파장 위상지연판(125, 135)도 하나로 형성하여 배치할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 실제 적용 예를 도시한 구조도이다. 도 3을 참조하면, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 기준빛과 신호빛이 동일한 광학 경로 길이를 갖으면서, 굉장히 컴팩트(Compact)한 구조를 갖게 되므로, 외부 노이즈를 줄일 수 있어 안정적인 측정이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 기준빛 생성부 및 신호빛 생성부를 하나의 스테이지 위에 정렬하는 것이 가능하므로 외부에 의한 진동이나 스테이지 이동 시에 발생하는 진동으로 인한 정렬 오차를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계를 구성하고 있는 제1, 제2 및 제3 편광빛살가르개를 통해 제1 반사부 및 시료로부터 반사되어 나오는 기준빛 및 신호빛이 광원 방향으로 진행되는 것을 막는 구조가 된다. 따라서, 이러한 구조로 인하여 기준빛이나 신호빛이 광원 방향으로 흘러들어가 노이즈를 발생시키는 것을 방지하기 위한 광학 고립기(Optical Isolator)를 구비하지 않아도 되므로 구조가 간단해지게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 종래 기술(도 1 참조)에서와 같이 로컬신호를 간섭계의 앞 단에서 추출하는 것이 아니라 제2 및 제3 편광빛살가르개로 분리되기 전까지 기준빛 및 신호빛과 동일하게 진행되므로, 제2 및 제3 편광빛살가르개까지의 이동 경로가 동일하여 제2 및 제3 편광빛살가르개 이전의 노이즈를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 도 4는 본 발명의 다른 실시형태를 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태를 갖는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계의 제1 및 제2 편광회전기와 제1 및 제2 편광판을 대신하는 제1 및 제2 패러데이셀(Faraday Cell)을 구비할 수 있다. 상기 제1 및 제2 패러데이 셀은 각각 제1 편광빛살가르개와 제2 편광빛살가르개 사이 및 제2 반사부와 제3 편광빛살가르개 사이에 배치되며, 바람직한 실시예의 편광회전기 및 편광판의 역할과 동일한 역할을 한다. 여기서, 구조의 간소화를 위해서 마찬가지로, 제1 및 제2 패러데이 셀은 하나로 형성되어 배치될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 시료로부터 반사된 신호빛에 유도되는 위상과 진폭변화를 동시에 측정하기 때문에 시료의 표면 분석에 널리 이용될 수 있으며, 특히 복합 기능 현기경과 같이 시료의 표면 또는 내부의 구조 및 재질에 대한 분석이 필요한 모든 분야에 적용할 수 있다.
100 : 광원
110 : 제1 편광빛살가르개
120 : 기준빛 생성부
122 : 제1 편광회전기
123 : 제1 편광판
124 : 제2 편광빛살가르개
125 : 제1 사분파장 위상지연판
130 : 신호빛 생성부
131 : 제2 반사부
132 : 제2 편광회전기
133 : 제2 편광판
134 : 제3 편광빛살가르개
135 : 제2 사분파장 위상지연판
136 : 제2 반파장 위상지연판
140 : 제1 광 검출수단
150 : 제2 광 검출수단
160 : 제1 반사부
170 : 시료대
180 : 제1 반파장 위상지연판
190 : 제3 편광판
195 : 제4 편광판

Claims (13)

  1. 광원;
    측정 시료가 놓여지는 시료대;
    상기 시료대와 평행하게 배치되고, 주사되는 기준빛을 반사시키는 제1 반사부;
    상기 광원에서 발생된 광을 주파수가 다르고 편광 방향이 서로 수직한 제1 빛 및 제2 빛으로 분리하는 제1 편광빛살가르개(PBS);
    상기 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하여 제공하는 기준빛 생성부;
    상기 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하여 제공하는 신호빛 생성부;
    상기 제1 로컬신호와 제2 로컬신호의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제1 광 검출수단(PD1); 및
    상기 제1 반사부로 주사된 후 반사되는 기준빛과 시료로 주사된 후 반사되는 신호빛의 간섭신호를 검출하여 외부로 제공하는 제2 광 검출수단(PD2);
    을 구비하고,
    상기 기준빛 및 신호빛은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기준빛 생성부는
    상기 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제1 편광회전기(PR); 상기 제1 편광회전기에서 편광 회전된 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하는 제2 편광빛살가르개(PBS); 상기 제2 편광빛살가르개와 제1 반사부의 사이에 배치되는 제1 사분파장 위상지연판(QWP);을 구비하고,
    상기 신호빛 생성부는
    상기 분리된 제2 빛의 진행방향을 상기 제1 빛의 진행방향과 평행하도록 반사하는 제2 반사부; 상기 제2 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제2 편광회전기(PR); 상기 제2 편광회전기에서 편광 회전된 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하는 제3 편광빛살가르개(PBS); 상기 제3 편광빛살가르개와 시료대의 사이에 배치되는 제2 사분파장 위상지연판;을 구비하고,
    상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 제2 편광빛살가르개와 제3 편광빛살가르개 사이에 반파장 위상 지연판(HWP)을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기준빛 생성부는
    상기 제1 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제1 패러데이셀(Faraday cell); 상기 제1 편광회전기에서 편광 회전된 제1 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제1 로컬신호(LO) 및 기준빛으로 분리하는 제2 편광빛살가르개(PBS); 상기 제2 편광빛살가르개와 제1 반사부의 사이에 배치되는 제1 사분파장 위상지연판(QWP);을 구비하고,
    상기 신호빛 생성부는
    상기 분리된 제2 빛의 진행방향을 상기 제1 빛의 진행방향과 평행하도록 반사하는 제2 반사부; 상기 제2 빛의 편광 방향을 사전에 설정된 각도로 회전시키는 제2 패러데이셀(Faraday cell); 상기 제2 편광회전기에서 편광 회전된 제2 빛을 편광 방향이 서로 수직한 제2 로컬신호(LO) 및 신호빛으로 분리하는 제3 편광빛살가르개(PBS); 상기 제3 편광빛살가르개와 시료대의 사이에 배치되는 제2 사분파장 위상지연판;을 구비하고,
    상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는 상기 제2 편광빛살가르개와 제3 편광빛살가르개 사이에 제1 반파장 위상 지연판(HWP)을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광원은
    서로 수직으로 편광되고 각 편광 성분이 서로 다른 주파수를 갖는 이중 편광 및 이중 주파수를 갖는 광을 출력하는 헤테로다인 광원인 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제2 반사부는
    프리즘 및 반사경 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광회전기는
    하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 패러데이셀은
    하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  8. 제 2항 및 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 사분파장 위상지연판은
    하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 기준빛 생성부는
    상기 제1 편광회전기와 제2 편광빛살가르개 사이에 제1 편광판을 배치하고,
    상기 신호빛 생성부는 상기 제2 편광회전기와 제3 편광빛살가르개 사이에 제2 편광판을 배치하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광판은
    하나로 형성되어 배치되는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  11. 제 2항 및 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계는
    제1 및 제2 로컬신호가 제2 편광빛살가르개로부터 제1 광 검출수단으로 진행되는 경로 사이에 제3 편광판을 더 구비하여 제1 로컬신호와 제2 로컬신호의 간섭신호를 생성하고, 기준빛 및 신호빛이 제3 편광빛살가르개로부터 제2 광 검출수단으로 진행되는 경로 사이에 제4 편광판을 더 구비하여 기준빛과 신호빛의 간섭신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  12. 제 2항 및 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호빛 생성부는
    상기 제1 편광빛살가르개로부터 분리된 제2 빛이 제2 반사부로 진행되는 경로 사이에 제2 반파장 위상지연판을 더 배치하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
  13. 제 2항 및 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호빛 생성부는
    상기 제1 편광빛살가르개로부터 분리된 제2 빛이 제2 반사부로 진행되는 경로 사이에 스페이서(spacer)를 더 배치하는 것을 특징으로 하는 이종 모드 광원을 이용한 헤테로다인 간섭계.
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