패러데이 회전자란 무엇이며, 절연체란 무엇인가?

또 다른 중요한 차이점은 패러데이 회전자에 의해 생성되는 회전 각도가 가해지는 자기장에 의해 결정된다는 점입니다. 영구 자석이 아닌 전자석이 이 자기장의 원천인 경우, 회전량을 전자적으로 제어할 수 있습니다. 반대로, 반파장판은 생성되는 회전량을 변경하려면 물리적으로 회전시켜야 합니다.

편광과 패러데이 효과란 무엇인가?

패러데이 회전자의 역할을 더 효과적으로 이해하려면 먼저 한 걸음 물러서서 편광에 대해 간략히 살펴봐야 합니다. 또한 편광을 이해하려면 빛의 파동적 특성에 대해 살펴봐야 합니다. 

빛은 전자기파입니다. 물론 우리 모두는 물의 파동에 대해 잘 알고 있습니다. 연못에 돌을 던졌다고 상상해 보세요. 물 위로 퍼져 나가는 잔물결이 바로 파동입니다. 다시 말해, 파동이란 중심에서 바깥쪽으로 이동하면서 물 표면의 높이가 주기적으로 변하는 현상입니다.

이제 수면 높이에 퍼지는 잔물결인 파동 대신, 전기장과 자기장으로 이루어진 파동이 있다고 상상해 보십시오. 즉, 물결의 표면 높이가 변하는 것처럼, 거리에 따라 이러한 장의 강도가 주기적으로 변하는 것입니다. 

편광이란 간단히 말해 각 광파의 전기장이 향하는 공간상의 방향을 말합니다. 유의할 점은 연못 표면에 국한된 물결(물 높이가 위아래로만 변할 수 있는 상태)과 달리, 광파는 어떤 방향과 위치로도 이동할 수 있다는 것입니다. 전파를 위해 매질이 필요하지 않습니다. 

물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 1845년에 일부 물질(광자기 물질)이 자기장에 놓이면 그 물질을 통과하는 광파의 편광 방향이 회전한다는 사실을 발견했습니다. 이 회전량은 자기장의 강도, 빛이 물질 내부를 이동하는 거리, 물질의 베르데 상수에 정비례합니다. 베르데 상수는 간단히 말해 특정 물질의 자기광학 효과 강도를 측정한 것입니다. 베르데 상수는 일반적으로 측정을 통해 결정됩니다.  

대부분의 투명 유전 물질은 자기광학적 성질을 지니지만, 그 효과는 일반적으로 매우 미약합니다. 그러나 베르데 상수가 큰 몇 가지 물질이 있는데, 이는 주로 테르븀(Terbium) 원소를 포함하는 유리나 결정체입니다. 특히 크리스탈 테르븀 갈륨 가닛(TGG)은 강력한 자기광학 효과를 나타내며, 일반적으로 사용되는 파장대에서 흡수율이 낮습니다. 또한 다양한 다른 바람직한 물리적 특성을 가지고 있으며 상대적으로 비용이 저렴합니다. 이것이 바로 TGG가 패러데이 회전자와 절연체를 제작할 때 가장 일반적으로 사용되는 재료인 이유입니다. 

패러데이 절연체란 무엇인가?

패러데이 회전자를 기반으로 구성할 수 있는 다양한 광학 소자가 있는데, 그중에서도 패러데이 절연체는 유용하고 널리 사용되는 소자입니다. 편광된 빛은 한 방향으로는 방해받지 않고 통과할 수 있지만, 반대 방향에서 들어오는 빛의 대부분은 감쇠됩니다. 

패러데이 절연체는 일반적으로 레이저 또는 레이저 증폭기의 출력단을 후면 반사광으로부터 보호할 때 사용됩니다. 특히 시스템의 다른 광학 장치나 레이저가 비추는 물체(예: 산업용 레이저로 용접되는 반사성 금속 조각)에 의해 레이저 쪽으로 다시 반사되는 빛이 이러한 반사광에 해당합니다. 강력한 반사광은 레이저를 손상시킬 수 있습니다. 그러나 강도가 낮은 반사광도 노이즈 및 전력 변동과 같은 레이저 작동 불안정성을 유발할 수 있습니다.

패러데이 절연체의 작동 원리는 그림의 설명과 같이 개념적으로 간단합니다. 선형 편광된 빛(왼쪽에서 들어오는)은 편광 방향에 맞춰 정렬된 편광판(#1)을 통과합니다. 이 빛은 패러데이 회전기를 통과하며 편광이 45° 회전합니다. 빛은 이렇게 회전된 편광 방향과 일치하는 또 다른 편광판(#2)을 통과한 후, 광학 시스템을 통해 공정으로 나갑니다. 이 구성을 사용하면 사실상 모든 레이저 광이 감쇠 없이 장치를 통과할 수 있습니다. 

광학 시스템이나 공정에서 반사된 모든 빛은 먼저, 원래 절연체의 출력 및 기타 모든 편광을 걸러내는 편광판(#2)을 통과합니다. 이렇게 필터링된 빛은 회전자를 통과하여 다시 45° 회전합니다. 이로 인해 편광 방향이 원래 방향과 직각이 됩니다. 따라서 첫 번째 편광 빔 스플리터(#1)에 의해 차단됩니다.  

실용적인 패러데이 절연체를 설계하고 제조하려면 여러 요소 간의 균형이 필요합니다. 주요 매개변수로는 일반적으로 개구부 크기, 파장 범위, 투과율(전방 감쇠) 및 차폐율(반사광 차단)이 있습니다. 전체 최대 레이저 출력 등급과 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)도 자주 고려되는 사항입니다. 물론 이러한 요소들은 모두 비용, 때로는 물리적 크기나 무게와의 절충 과정을 거치게 됩니다.

이러한 다양한 매개변수를 최적화하려면 영구 자석의 강도와 크기, 자기 광학 재료의 품질(특히 흡수율, 굴절률 균일성 및 복굴절), 사용되는 박막 코팅의 종류 등에 대한 설계적 선택과 절충이 필요합니다. 

결과적으로 Coherent와 같은 패러데이 절연체 제조업체는 각기 다른 작업에 최적화된 다양한 제품을 공급하고 있습니다. 근적외선 시드 레이저용 소형 저전력 회전자 및 절연체 , Ti:Sapphire 발진기용 EURYS 회전자 및 절연체, 405nm~980nm 레이저의 광학 피드백을 방지하도록 특별히 설계된 TORNOS 회전자 및 절연체 등이 그 예입니다.

고전력 절연체용 신기술

TGG는 여러 가지 이유로 오랫동안 650~1,100nm 파장 대역에서 선호되는 패러데이 회전체 결정이었습니다. 예를 들어, TGG는 고순도로 제조할 수 있습니다. 높은 베르데 상수, 대칭적인 입방 결정 구조, 낮은 고유 복굴절률 덕분에 정교한 정렬 공정 없이도 높은 절연도를 쉽게 달성할 수 있습니다. 또한 상대적으로 비용이 저렴합니다. 

그러나 아무리 순수한 TGG라 할지라도 결국에는 대량 흡수로 인해 성능 한계에 직면하게 됩니다. 이러한 흡수로 인해 결정 내부에서 국부적인 가열이 발생하여 성능이 제한됩니다. 지난 수십 년간 산업용 레이저의 출력이 지속적으로 증가함에 따라 TGG의 고유한 흡수 및 열광학적 특성은 점점 더 불리해지고 있습니다. 

KTF(불화테르븀칼륨)는 TGG와 유사한 투과 범위와 베르데 상수를 갖는 또 다른 자기광학 소재입니다. 가장 중요한 점은 TGG보다 대량 흡수 계수(8배 낮음), 열광학 계수(15배 낮음) 및 응력광학 계수가 낮다는 것입니다. 이러한 장점들의 조합을 통해 매우 높은 레이저 출력에 노출되었을 때 TGG 기반 패러데이 절연체에서 발생하는 절연 성능 저하, 빔 초점 및 빔 품질의 저하를 방지할 수 있습니다.

초기 KTF 생산 단계에서는 기포, 내포물 및 높은 분산 문제가 있는 대형 단결정이 생성되었습니다. 따라서 TGG를 통한 전도에서 순수한 개선 효과를 제공하지 못했습니다. 그러나 Coherent는 공정의 여러 부분을 선도적으로 개선하여, 이제는 저렴한 비용으로 고품질 KTF의 생산량을 향상시킬 수 있게 되었습니다. 이를 통해 이 소재를 사용하는 고출력 레이저용으로 특별히 고안된 가격 경쟁력 있는 패러데이 절연체 시리즈( Coherent Ultra 시리즈 )를 생산할 수 있게 되었습니다.

Coherent 및 회전자와 kW급 패러데이 절연체에대해 자세히 알아보십시오.