KR101817638B1 - 유전체다층박막 회절격자 - Google Patents

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KR101817638B1
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이정환
신완순
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 전도성 산화물 박막 소재를 최상층과 고굴절률층으로 적용하여 높은 반사율과 회절효율, 넓은 파장범위, 높은 허용 레이저 강도를 가진 유전체다층박막 회절격자 구조에 관한 것이다.

Description

유전체다층박막 회절격자{MULTILAYER DIELECTRIC GRATING}
본 발명은 전도성 산화물 박막을 포함하는 유전체다층박막 회절격자에 관한 것이다.
유전체다층박막 회절격자는 고출력 레이저 출력 증대를 위한 파장제어 빔결합 기술과 극초단 펄스레이저 구현을 위해 사용되는 광학 부품이다. 파장제어 빔결합 기술에서 다수의 단위 레이저를 하나의 빔으로 결합하여 출력을 증대하기 위해서는 회절현상으로 빔을 하나로 결합시키는 유전체다층박막 회절격자의 허용 레이저 강도가 높아야 한다.
기존의 유전체다층박막 회절격자는 비전도성 유전체박막의 교차 증착으로 구성되어 있으며, 저굴절률 소재로는 SiO2 (굴절률 ~1.5), 고굴절률 박막소재로는 HfO2, ZrO2 (굴절률 ~1.8)등이 사용되었다. 이러한 유전체다층박막으로 원하는 중심파장과 파장범위에서 고반사율 범위 확대를 위해서는 많은 박막 층수가 필요하게 되고, 이에 따라 허용 레이저 강도는 감소하게 된다. 입사된 광원의 전기장 세기가 박막 계면에서 극대점을 가지며, 박막 층수 증가에 따라, 전기장이 집중되는 점이 많아지기 때문에, 허용 레이저 강도는 감소된다.
따라서 유전체다층박막 고굴절률 소재의 높은 굴절률을 확보하여 중심파장 기준으로 고반사율 파장범위를 증대시키고, 박막 층수를 감소시켜 허용 레이저 강도를 높일 수 있는 박막 구조가 필요하다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전도성 산화물 박막을 포함하는 유전체다층박막 회절격자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 기설정된 두께, 격자 폭 및 격자간격을 갖도록 형성되는 최상층; 상기 최상층의 하부에 저굴절률층 및 고굴절률층이 교대로 구비되는 굴절층; 및 상기 굴절층의 하부에 구비되는 기판을 포함하고, 상기 최상층은 전도성 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 유전체다층박막 회절격자가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 최상층은, InSnO(ITO), Al:ZnO, In:ZnO, InO, SnO, ZnO, InGaZnO 중 어느 하나 이상의 전도성 산화물 박막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 고굴절률층은 HfO2, ZrO2 중 어느 하나의 비전도성 산화물 박막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 고굴절률층은 InSnO(ITO), InZnO(IZO), AlZnO(AZO), InO, SnO, InGaZnO (IGZO)로부터 선택되는 하나 이상의 전도성 산화물 박막으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기판은 석영(Fused silica)으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 유전체다층박막 회절격자의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 전도성 산화물 박막 소재를 적용하여 기존보다 높은 반사율과 회절효율, 넓은 파장범위, 증대된 허용 레이저 강도를 가지는 유전체다층박막 회절격자 구현이 가능하게 되었다. 이에 따라 레이저 출력 증대를 위한 파장제어 빔 결합에서 핵심 부품인 유전체다층박막 회절격자의 효율 및 레이저 강도 증대를 통해 설계 범위를 확장 적용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 전도성 산화물 박막을 적용한 유전체다층박막 회절격자 구성도이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 유전체다층박막 회절격자의 최상층과 고굴절률층을 비전도성 산화물 박막으로 구성한 실시예에 관한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체다층박막 회절격자의 최상층을 전도성 산화물 박막으로, 고굴절률층을 비전도성 산화물 박막으로 구성한 실시예에 대한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체다층박막 회절격자의 최상층 및 고굴절률층을 전도성 산화물 박막으로 구성한 실시예에 대한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로, 유전체다층박막 회절격자의 중심파장과 파장범위에서 고반사율 범위 확대 및 허용 레이저 강도 증가를 위해서 전도성 산화물 박막 소재를 적용한다. 종래의 비전도성 고굴절률 산화물 박막을 적용했을 때의 고반사율 파장범위가 수십 나노미터 수준인데 비해, 전도성 고굴절률 산화물 박막을 적용하면 수백 나노미터 수준까지 고반사율 파장범위를 증대시킬 수 있다.
이때, 대표적인 전도성 산화물 박막 소재는 InSnO(ITO), InZnO(IZO), AlZnO(AZO), InO, SnO, InGaZnO(IGZO) 등이 적용될 수 있으며, 이러한 소재들의 굴절률은 2.0 ~ 2.5 정도이다. 전도성 산화물 소재의 굴절률이 비전도성 산화물 소재보다 높기 때문에, 고반사율을 획득하기 위한 박막 층수가 감소하게 되며, 이에 따라 허용 레이저 강도를 높게 설계할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이러한 성질을 이용한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서는 유전체다층박막 구조 및 그 적용 소재에 관한 기술이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체다층박막 구조는 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체다층박막 회절격자의 구조이다. 상기 유전체 다층박막의 최상층(101)은 전도성 산화물 소재를 적용하여 고반사율 및 회절효율을 얻을 수 있는 두께(t), 격자 폭(a)과 격자간격(b)을 설계하여 적용할 수 있다.
상기 최상층(101)의 하부에는 저굴절률층(102)이 배치되며, 상기 저굴절률층(102)는 SiO2 소재를 적용하여 고반사율을 얻는 두께(dL)로 설계한다. 상기 저굴절률층(102)의 하부에 구비되는 고굴절률층(103)은 HfO2, ZrO2 등의 비전도성 산화물 박막 또는 InSnO (ITO), InZnO (IZO), AlZnO (AZO), InO, SnO, InGaZnO (IGZO) 등의 전도성 산화물 박막을 고반사율을 얻는 두께(dH)로 설계한다.
이러한 저굴절률층(102)와 고굴절률층(103)은 반사율 설계수치에 따라 교차하여 박막 층수를 결정할 수 있다. 이를 (HL) 스택구조, 굴절층 또는 HL 굴절층이라 하기로 한다. 일반적으로 파장의 4분의 1에 해당하는 두께로 설계하며, Merit 함수나 Monte Carlo 방법으로 최적화하여 설계한다. 기판(104)은 기계적 성질이 우수한 유리 소재인 Fused silica(Quartz)나 Zerodue 등을 적용할 수 있다. 기판(104)의 두께는 설치가 용이하도록 20 mm 이상으로 설정한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서의 유전체 다층박막의 구조는 최상층(101)과 기판(104)의 사이에 저굴절률층(102)과 고절률층(103)이 서로 교대로 적층되어 있다. 그리고, 상기 최상층(101)은 적층 방향과 교차되는 방향으로 기설정된 간격으로 이격 배치되어 소정의 격자폭(a)과 격자간격(b)을 갖도록 한다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 유전체다층박막의 실시예에 관한 것으로, 최상층(101) 및 고굴절률층(103)을 비전도성 산화물 박막으로 설계했을 때의 실시예이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 최상층(101)의 소재는 SiO2 (굴절률 ~1.45), 저굴절률층은 SiO2 (굴절률 ~1.45, L), 고굴절률층은 HfO2 (굴절률 ~1.8, H)로 적용하였다. 중심파장 1060 nm에서 리트로 회절 조건(Littrow configuration)인 67.25도, 편광은 회절격자와 나란한 방향인 s-pol(또는 TE편광)로 설정하였다. 파장에 따른 반사율 그래프(도 2a 참조)에서 중심파장 1060 nm 기준으로 99 % 이상의 반사율로 설계 가능하였고, 파장 범위도 200 nm 이상이다. 20주기의 (HL)층 유전체다층박막 구조(도 2b 참조)로 설계하였으며, 그 때 두께 방향의 전기장 세기는 그래프(도 2c 참조)와 같다. 상기 도 2c의 그래프를 통해 20주기의 박막 층수와 두께를 불균일하게 증착하는 부분을 포함해야 요구하는 반사율을 획득하였으며, 그래프으로부터 박막을 투과해 가는 전기장 세기는 최상층에서 감소한 후에도 어느 정도 세기를 가지고 투과함을 설계상 확인할 수 있다.
한편, 도 3a 내지 도 3c은 본 발명의 유전체다층박막 회절격자의 실시예에 관한 것으로, 최상층(101)을 전도성 산화물 박막으로, 고굴절률층(103)도 비전도성 산화물 박막으로 설계했을 때의 실시예이다. 최상층 소재는 ITO (굴절률 ~2.2), 저굴절률층은 SiO2 (굴절률 ~1.45, L), 고굴절률층은 HfO2 (굴절률 ~1.8, H)로 적용하였다. 중심파장 1060 nm에서 리트로 회절 조건(Littrow configuration)인 67.25도, 편광은 회절격자와 나란한 방향인 s-pol(또는 TE편광)로 설정하였다. 파장에 따른 반사율 그래프(도 3a 참조)에서 중심파장 1060 nm 기준으로 99 % 이상의 반사율로 설계 가능하였고, 파장 범위도 200 nm 이상으로 도 2의 결과와 유사하였다.
15주기의 (HL)층 유전체다층박막 구조(도 3b 참조)로 설계하였으며, 그 때 두께 방향의 전기장 세기는 그래프(도 3c 참조)와 같다. 상기 도 3c에서의 그래프를 15주기의 박막 층수와 두께를 불균일하게 증착하는 부분을 포함해야 요구하는 반사율을 획득하였으며, 그래프로부터 박막을 투과해 가는 전기장 세기는 최상층부터 급격히 감소함을 설계상 확인할 수 있다.
그리고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예로 최상층(101) 및 고굴절률층(103)을 전도성 산화물 박막으로 설계했을 때의 실시예에 관한 것이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 최상층 및 고굴절률 소재는 ITO (굴절률 ~2.2), 저굴절률층은 SiO2 (굴절률 ~1.45)로 적용하였다. 중심파장 1060 nm에서 리트로 회절 조건인 67.25도, 편광은 회절격자와 나란한 방향인 s-pol(또는 TE편광)로 설정하였다. 파장에 따른 반사율 그래프(도 4a 참조)에서 중심파장 1060 nm 기준으로 99 % 이상의 반사율로 설계 가능하였고, 파장 범위도 400 nm 이상으로 도 3의 결과보다 더욱 확대되었다. 10주기의 (HL)층 유전체다층박막 구조(도 4b 참조)로 설계하였으며, 그 때 두께 방향의 전기장 세기는 그래프(도 4c 참조)와 같다. 상기 도 4c에 도시된 그래프를 통해 10주기의 박막 층수와 균일한 두께로 증착해도 도 3의 결과와 같은 반사율을 획득하였으며, 그래프로부터 박막을 투과해 가는 전기장 세기는 도 3의 결과와 유사하게 최상층부터 급격히 감소함을 설계상 확인할 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
101 : 최상층 격자 패턴, 102 : 저굴절률층, 103 : 고굴절률층, 104 : 기판
201 : 반사율 그래프, 202 : 유전체다층박막 구조, 203 : 전기장 세기
301 : 반사율 그래프, 302 : 유전체다층박막 구조, 303 : 전기장 세기
401 : 반사율 그래프, 402 : 유전체다층박막 구조, 403 : 전기장 세기

Claims (5)

  1. 기설정된 두께, 격자 폭 및 격자간격을 갖도록 형성되는 최상층;
    상기 최상층의 하부에 저굴절률층 및 고굴절률층이 교대로 구비되는 굴절층; 및
    상기 굴절층의 하부에 구비되는 기판을 포함하고,
    상기 최상층은 상기 굴절층의 굴절률보다 높은 굴절률을 지니는 전도성 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 유전체다층박막 회절격자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최상층은,
    InSnO(ITO), AlZnO, InZnO, InO, SnO, ZnO, InGaZnO 중 어느 하나 이상의 전도성 산화물 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체다층박막 회절격자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고굴절률층은 HfO2, ZrO2 중 어느 하나의 비전도성 산화물 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체다층박막 회절격자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 석영(Fused silica)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체다층박막 회절격자.
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