스펙트럼 영역 광결맞음 간섭계와 인라인 이중
샘플단을 이용한 두께와 굴절률의 동시 측정
Simultaneous measurements of refractive index and
thickness using spectral-domain optical coherence
interferometer and in-line dual sample probes
박성준*, 최해룡, 박관섭, 주명진, 이병하 광주과학기술원 정보통신공학과
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시료의 두께와 굴절률을 측정하는 기술은 반도체 공정이나 광공학 분야 그리고 바이오 관련 분야에서 지속적인 관심을 받고 있다. 특히 수 μm의 분해능을 가지는 광 결맞음간섭 계 (LCI : low coherence interferometry)는 시료의 두께와 굴절률을 비파괴적으로 측정할 수 있고 구조가 단순하다는 점에서 널리 이용되고 있다. 시료의 굴절률과 두께를 동시에 측 정하기 위해 그 동안 소개된 방법들은 특수하게 제작된 시료 홀더를 사용하거나 시료의 색 분산 (chromatic dispersion) 값을 근사적으로 사용하였기 때문에, 측정 시료의 크기가 제한 되었고 측정값의 신뢰도가 떨어지는 문제점을 가지고 있었다(1). 최근 이러한 단점을 개선하 기 위해 시간영역 광결맞음 간섭계 (TDI : time-domain coherence interferometer) 와 공초 점 광학계로부터 얻은 데이터를 이용해 시료의 굴절률과 두께를 동시에 구하는 방법이 제안 되었다(2). 그러나 TDI 는 기준 거울을 움직여야 하므로 고속 측정이 어려우며 외부 진동에 민감하다는 단점이 있다.
본 연구에서는 스펙트럼 영역에서 동작하는 광결맞음 간섭계 (SDI : spectral-domain optical coherence interferometer)와 인라인 이중 샘플단을 이용함으로써 TDI에서 야기되었 던 문제점을 보완하면서 시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하는 시스템을 제안하고자 한 다(3). 그림 1은 제안하고자 하는 시스템의 구성도로서 실험에 사용된 광원은 중심파장이 1310 nm인 super-luminescent diode (SLD)이며 가간섭 거리는 17 μm이다. 상기 광원에서 출사 된 빔은 3 dB 광섬유 커플러에 의해 간섭계의 기준단과 시료가 놓인 이중 샘플단으로 분할 된다. 분할된 빔은 기준거울과 시료의 각 면에서 반사된 후 다시 3 dB 커플러를 통해 OSA (Optical spectrum analyzer)로 구성된 간섭신호 검출단으로 보내진다. 이때 간섭신호 획득 은 크게 두 단계에 걸쳐 이루어지는데, 먼저 시료가 놓여질 공간의 기하학적 거리 L을 측 정하기 위해 두께가 알려져 있는 유리판을 올려놓고 유리판의 간섭신호를 획득한다. 이어서, 실제 측정하고자 하는 시료 (silica, 1.550 mm)를 올려놓고 main port와 sub port로부터 시료 로부터 발생한 간섭신호를 획득한다. 그림 2는 두 개의 포트를 통해 획득한 간섭 신호의 역 푸리에 변환 (inverse Fourier transform) 결과를 보여주는 것으로써, 샘플 경계면에 기인된 여러 개의 주요 신호 피크 값들 ( Eref, E1-4)과 더불어 광섬유 양 끝 단에 의한 신호 F 가
그림 1. SD-OCT와 인라인 이중 프로 브로 이루어진 실험 개략도. 그림 2. 두 개의 포트에서 측정된 샘플 (silica 1.550 mm)의 간섭 신호들에 대한 역푸리에 변환 결과. 검출되는 것을 확인할 수 있다. 획득된 측정값을 아래의 식 (1)과 (2)(4)에 대입함으로써, 시 료의 물리적인 두께 및 군 굴절률을 동시에 얻을 수 있었다. 두께 1.550 mm 인 silica 시료 의 경우, 물리적인 두께 및 군 굴절률에 대한 평균 측정오차가 각각 0.0072 % 와 0.2781 % 였다. TDI 와 공초점 광학계를 이용해 얻은 데이터(2)의 경우 시료두께에 대한 평균 오차가 경우 0.0523 %인 점을 감안하면 측정의 정확도가 현저하게 향상되었음을 알 수 있다. t = L - Distance(E1+Er) -Distance(E3+Er) (1) n = Distance (E1+E2) t (2) 본 연구에서는 양방향 이중 프로브를 가진 스펙트럼 영역 간섭계를 이용, 시료의 두께와 굴절률을 동시에 측정하고자 하였다. 제안된 기술은 기계적인 스캔 동작이 전혀 필요하지 않아 외부의 진동에 매우 둔감하고 실시간 고속 측정을 기대할 수 있다. 현재 다양한 샘플 군에 대한 측정 실험이 진행 중에 있으며, 생체 시료로의 적용도 계획 중에 있다. 본 연구는 광주과학기술원의 BK-21 사업의 일부 지원금에 의한 것입니다. 참고문헌
1. M. Haruna. et al., Opt. Lett., vol. 23, no.12, pp. 966 ~ 968, 1998. 2. S. Kim, et al., Opt. Express, vol. 16, no. 8, pp. 5516-5526, 2008.
3. Gerd HA USLER et. al., J. of Biomed. Opt. vol. 1, no. 3, pp. 21-31 1998. 4. Seong Jun Park, Thesis for Master's Degree 2009.
