KR900007555B1 - 조합문양-굴절 수정형 위상격자 - Google Patents

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내용 없음.

Description

조합문양-굴절 수정형 위상격자

제1도는 본 발명에 의한 조합문양-굴절 수정형의 위상 격자의 실시예의 확대단면도.

제2도는 본 발명에 의한 조합문양-굴절 수정형의 위상 격자의 다른 실시예의 투시도.

제3도는 종래의 문양 수정형의 위상격자의 확대단면도.

제4도는 종래의 굴절 수정형의 위상격자의 확대단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 8 : 위상격자 2 : 투명평판

3 : 입사면 4a, 4b : 출구평면

a, b : 격자요소

본 발명은 위상제어에 의해 광선을 회절시키기 위한 위상격자에 관한 것인데, 특히 문양 수정형 위상격자와 굴절 수정형 위상격자의 특성을 조합한 위상격자에 관한 것이다.

일반적으로, 파장(λ)의 광선이 굴절율(n)의 광매질내에서 거리(D)을 진행할때에 생기는 위상 변화(P)는

으로 표시된다. 거리(D)와 굴절율(n)의 변화로 인해 위상변화(P)의 주기적분포가 광매질의 출구 평면에서 생길때는 광선은 위상변화(P)가 상이한 광선성분들이 위상정합에 의해 서로 증폭되는 방향으로 회절된다.

종래의 위상격자는 다음의 두범주로 대별된다. 그 하나는 제3도에 표시된 것처럼 문양 수정한 위상격자(1A)로서 이것은 광선의 위상을 제어하기 위한 규칙적으로 배열된 요철부(a, b)를 갖고 있는 투명판(2A)으로 되어있고, 다른 하나는 제4도에 표시된 것과 같은 굴절 수정형 위상격자(1B)인데 이것은 통과하는 광선의 위상들을 제어하기 위한 각각 상이한 굴절율의 규칙 배열된 층(a', b')을 고 있는 투명판으로 되어있다.

제3도에 표시된 위상격자(1A)는 최근에 있어 분광소자, 분광용 회절격자, 프레넬(Fresnel)렌즈등에 널리 사용되고 있다. 더구나, 위상격자(1A)로서는 영차의 회절광선을 억제함으로써 영(0)차의 회절광선이외의 회절광선을 증강하기 위해서 규칙배열된 요철부의 높이차를 증가시킬 필요가 있고, 그리하여 요철부의 피치(pitch)를 최소화하여 회절각을 증가시키고자 할때는 고도의 정밀가공이 요구되어 위상격자(1A)의 제작이 있어 곤란을 초래한다.

제4도에 표시된 위상격자(1B)에 있어서, 영차의 회절광선을 억제하여 영차의 회절광선이외의 회절광선을 증폭하는 방법은 격자(1B)의 규칙배열층 또는 두께간의 굴절율의 차이를 증가시키는 것이다. 그러나 굴절율의 차이를 증가시킬 수 있는 범위는 실시예있어 비교적 제한을 받고, 따라서 위상격자(1B)는 문양 수정형 위상격자(1A)에 비하여 그 두께가 극히 커야한다는 단점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 문양 수정형 위상격자나 굴절 수정형 위상격자의 어느것이 할수 있는 것보다도 영차 회절광선을 더 억제함으로써 영차 회절된 광선이외의 회절된 광선을 용이하게 증폭하기 위해서, 문양 수정형과 굴절 수정형 위상격자의 특성모두를 가진 위상격자를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 종래의 이중격자요소를 포함하고 있는 위상격자가, 각각 상이한 굴절율의 규칙 배열 이중격자 요소를 갖고 있는 굴절 수정형 위상격자를 변하는 두께의 구조를 가진 문양 수정형 위상격자에 가함으로써 만들어지며, 그리하여 상기 두 위상격자의 어느것보다도 더 영차 회절광선을 억제하고 영차 광선이외의 다른 회절광선을 증강시킬 수 있게 된다.

추가하여 영차 회절광선과 거기에 인접한 복수개의 회절광선을 들수 있는 광소자가 얻어질 수 있도록 이중 격자 소자를 2차원적으로 배열하는 것도 가능할 것이다.

제1도는 투명한 평판(2)위에 배치된 이중격자소자(a),(b)와 광선의 입사평면으로서의 평평한 표면(3)을 포함하고 있는 본 발명에 의한 조합문양-굴절 수정형의 위상격자(1)를 예시한다. 평평한 입사 평면(3)과 격자요소(a, b)의 각 출구평면(4a,4b)은 서로 평행하고 격자소자(a, b)사이의 계면(5)은 입사평면(3)에 수직이다. 격자 소자(a)는 굴절율(n_a)을 갖고 있고 격자소자(b)는 굴절율(n_b)을 갖고있다.

이제 다음과 같이 기호를 표시한다.

추가하여, 납작한 위상격자 또는 구형파같은 단면구조를 가진 위상격자의 입사평면(3)에 수직하는 입사광선의 영차회절효율(n₀)과 m차 회절효율 (n_m)은 다음과 같이 총입사광선의 진폭강도를 기준으로 각각 표시된다.

굴절율(n_a,n_b), 격자요소(a, b)의 높이차(레벨차)(d), 그리고 δ 대신 δ^*를 사용할 경우에는 다음 관계가 성립한다.

제3도에 표시된 위상격자(1A)인 경우는 제1도에 표시된 위상격자(1)의 상기 관계에서 굴정율 n_a=n_b그리고 δ=δ_r로 놓음으로써 다음 관계를 얻는다.

제4도에 표시된 위상격자(1B)인 경우는 제1도에 표시된 위상격자(1)의 상기 관계에서 높이의 차 d=0그리고 δ=δ_r로 둠으로 다음 관계를 얻는다.

실제조건 0＜μn₀＜n_b＜n_a및 0

d

d_a에 대해 다음 관계가 ;

성립할때는,

이기 때문에, 그때는

따라서 n₀와 n_m이 각각 위상격자(1)의 0차 및 m차 회절효율을 표시하며 또한 n_s0, n_sm와 n_r0, n_rm이 각각 위상격자(1A)와 (1B)의 0차 및 m차 회전효율을 표시하게 하면 그때는 다음 범위

즉,

이내에서 다음 관계가 성립한다.

n^* ₀＜n_s0, n_r0그리고 n^* _m＞n_sm＞n_rm이것은, 영(0)차 절광선이외의 위상격자로부터의 회절광선이 해당하는 격자상수가 동일한 조건하에서 영자회절광선을 억제함으로써 증폭될때는 본 발명의 위상격자(1)는 문양 및 굴절 수정형 위상격자(1A)와 (1B)의 어느것보다 우수하다는 것을 의미한다.

따라서 굴절율(n_a)과 높이차(d)를 가진 제3도에 표시된 위상격자(1A)로서 얻는 m차 회절효율이 그의 격자요소(a, b)의 각 굴절율(n_a, n_b)(n_b＜n_a)과 d보다 작은 높이차를 가진 본 발명의 위상격자로서 얻어질 수 있다. 이 결과 그 피치가 특히 작은 위상격자를 제조하는데 있어 격자요소들간의 굴절율차이가 마음대로 취해질 수 있을때는 높이차를 형성하기 위한 공정 조건은 현저하게 완화될 수 있다.

이 사실을 고려할 때, 본 발명의 조합문양-굴절 수정형 위상격자는 다음과 같이 원하는 높이차와 격자요소의 굴절율을 용이하게 형성하기 위한 재료와 방법을 고안함에 의해 실현될 수 있다. 감광성 기능기를 가진 유기중합체를 기능기에 대해 선택적으로 감광성인 화합물의 혼합하여 용액을 제조한다. 이 용액을 사용하여 회전피복공정과 같은 공정에 의해 투명한 기판상에 매끄러운 투명막을 형성한다. 층의 광반응은 포토 마스크를 통해 진행되고 그런뒤 비반응 광반응성 물질을 제거하여 격자요소의 소망높이차와 굴절율을 얻는다.

제1도에 표시된 위상격자는 입사평면(3)에 수직으로 입사하는 레이저의 출구광무늬가 격자표면에 평행으로 배열된 스크린상에 영차회절광선의 한점 주위에 직선상에 배열된 회절점의 군을 보여주는 가장 간단한 구조를 갖고 있다.

그러나 본 발명은 상기와 같이 구성된 위상격자에 한정되는 것은 아니다.

예컨대 제2도에서처럼, 높은 굴절율을 가진 철부(6)와 낮은 굴절율을 가진 요부(7)가 바둑판무늬같이 배열되어 있는 문양-굴절 수정형의 조합된 위상격자(8)로서는 레이저 비임이 위상격자(8)의 입사면상에 수직으로 입사될때, 영차회절광선의 일점 주위에 2차원적으로 배치된 회절광점의 군이 관찰될 것이다. 위상격자(8)는 예컨대 단일 레이저선으로부터, 영차 회절광선과 거기에 인접한 네(4) 회절광선에 대응하는 다섯 레이저선을 얻을수 있는 요소이다.

이제 본 발명의 효과를 방정식(1)과 (2)를 사용하여 예시하겠다. 표 1과 2는 파장 λ=0.780㎛, l_a=10.0㎛, 1_b=10.0㎛ 및 n₀=1.00의 조건에서, 각각 n_a=1.51, n_b=1 .50의 경우 그리고 n_a=1.55, n_b=1.45의 경우에 각 회절효율을 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

제4에 표시된 위상격자(1B)의 회절효율을 본 발명의 위상격자(1)에서 d=0일때의 것과같다. 표 1과 표 2로부터 영차 회절광선을 억제하고 영차 회절광선이외의 회절광선을 증폭시키는 본발명 위상격자의 우수성이 증명된다는 것을 유의해야 할 것이다.

간단화를 위해, 표 1과 표 2에는 단지 m=±1일때만을 표시했다.

상기한 실시예에서는 위상격자는 철부와 요부가 단면정방형인 면문양을 갖고 있지만, 단면이 삼각형, 사다리꼴형 또는 정현(sine)파형인 것도 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 추가하여, 본 발명의 위상격자는 여러용도를 위해 만들어질 수 있고, 광학적 파장수준의 광선을 취급하는 마이크로 광학 시스템의 소자로서 회절각과 회절효율의 제어에 따라 광선을 분광 및 접속하는 데에 특히 유리하다.

Claims (6)

1. 각각 상이한 두께를 갖고 있고, 규칙적으로 배열되어 있으며, 요철부간에 굴절율차이를 제공하도록 각각 굴절율이 상이한 재료로 형성되어 있는 철부와 요부를 포함하고 있는 박층의 2중 격자요소로 되어 있는 것을 특징으로 하는 조합문양-굴절 수정형 위상격자.
2. 제1항에 있어서, 2중 격자요소의 철부를 형성하는 재료의 굴절율은 요부를 형성하는 재료의 굴절율보다 더 큰 것을 특징으로 하는 위상격자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2중 격자요소의 철부가 정방형의 단면형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 위상격자.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2중 격자의 철부가 삼각형, 사다리꼴형 및 정현파형중 어느 한 형상의 단면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 위상격자.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 철부와 요부사이의 높이차(레벨의 차)가 0.001㎛이상인 것을 특징으로 하는 위상격자.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 철부와 요부사이의 굴절율의 차가 0.005이상인 것을 특징으로 하는 위상격자.

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