[논문 리뷰] A Large Diameter Millimeter-Wave Low-Pass Filter Made of Alumina with Laser Ablated Anti-Reflection Coating

Ryota Takaku, Qi Wen외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 30.

Optical Coatings and Gratings참고 문헌 42인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 그린 밸리 망원경의 운영 중인 MUSTANG2 기구에 도입된 레이저 에어레이션을 이용한 마이크로파 서브 웨이브 린드 구조(SWS)를 반사 방지 코팅(ARC)으로 사용한 최초의 대경도(302 mm) 알루미나 밀리미터파 저통과 필터를 제시한다. 이 필터는 75–105 GHz 대역에서 평균 98%의 투과율을 달성하며 반사 손실이 1% 미만이며 편광 의존성이 거의 없으며, 이전 테프론 필터에 비해 냉각 상태에서 광학 부하를 약 50% 감소시킨다.

ABSTRACT

We fabricated a 302 mm diameter low-pass filter made of alumina that has an anti-reflection coating (ARC) made with laser-ablated sub-wavelength structures (SWS). The filter has been integrated into and is operating with the MUSTANG2 instrument, which is coupled to the Green Bank Telescope. The average transmittance of the filter in the MUSTANG2 operating band between 75 and 105 GHz is 98%. Reflective loss due to the ARC is 1%. The difference in transmission between the s- and p-polarization states is less than 1%. To within 1% accuracy we observe no variance in these results when transmission is measured in six independent filter spatial locations. The alumina filter replaced a prior MUSTANG2 Teflon filter. Data taken with the filter heat sunk to its nominal 40 K stage show performance consistent with expectations: a reduction of about 50% in filters-induced optical power load on the 300 mK stage, and in in-band optical loading on the detectors. It has taken less than 4 days to laser-ablate the SWS on both sides of the alumina disk. This is the first report of an alumina filter with SWS ARC deployed with an operating instrument, and the first demonstration of a large area fabrication of SWS with laser ablation.

연구 동기 및 목표

• 냉각 천체 관측 기구를 위한 고투과율, 저손실 밀리미터파 필터 개발.
• 고굴절률(n = 3.12)으로 인해 반사 손실이 45%에 이르는 코팅되지 않은 알루미나의 문제 해결.
• 302 mm 지름의 알루미나 디스크에 대면적 레이저 에어레이션을 이용한 SWS ARC 제작 가능성을 입증.
• MUSTANG2에서 사용하던 이전 테프론 필터를 열전도도가 높고 열 부하가 낮은 대체재로 교체.

제안 방법

• 99.5% 순도의 302 mm 지름, 4 mm 두께의 알루미나 디스크를 필터 기초로 제작.
• 피코초/펨토초 레이저를 이용해 디스크 양면에 서브 웨이브 피라미드 구조(SWS)를 레이저 에어레이션으로 형성.
• 고속 레이저 조건(출력, 스캔 속도, 레이저 빔 크기)을 최적화하여 높은 에어레이션 속도(~34 mm³/min)와 균일한 SWS 형태 확보.
• 엄격한 커플드 웨이브 분석(RCWA)을 사용해 다수의 공간 위치에서 SWS의 광학적 반응을 모델링하고 검증.
• 6개의 독립된 공간 위치에서 밀리미터파 투과 측정을 수행하여 투과도의 균일성과 편광 의존성 평가.
• 필터를 MUSTANG2 기구에 통합하고 40 K 및 300 mK의 냉각 온도 조건에서 성능 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 302 mm 지름의 대규모 광학 요소에서 레이저 에어레이션 SWS ARC를 이용한 알루미나 필터가 75–105 GHz 대역에서 평균 98% 이상의 투과율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SWS ARC가 코팅되지 않은 경우 45%에 이르는 반사 손실을 운영 대역 전체 및 s- 및 p-편광 상태에서 1% 이하로 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 302 mm 지름 표면 전반에 걸쳐 SWS 코팅된 알루미나 필터의 광학 성능이 균일하며, 명백한 공간적 변동성이 없는가?
• RQ4 새로운 알루미나 필터가 이전 테프론 필터에 비해 300 mK 감도 스테이지의 냉각 상태에서 광학 부하를 최소 50% 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 302 mm 대규모 영역에서 알루미나에 SWS를 레이저 에어레이션으로 제작하는 것이 고성능 및 재현 가능성을 갖는가?

주요 결과

• 필터는 75–105 GHz 대역에서 평균 98%의 투과율을 달성하였으며, 코팅되지 않은 알루미나에 비해 반사 손실이 45배 감소하였다.
• SWS ARC로 인한 평균 반사 손실은 단지 1%였고, s- 및 p-편광 상태 간 투과도의 차이는 1% 미만이었다.
• 6개의 독립된 측정 위치에서 필터 표면 전반에 걸쳐 투과도에 명백한 공간적 변동성이 관측되지 않았으며, 정확도 1% 이내였다.
• 이전 테프론 필터에 비해 300 mK 스테이지의 광학 부하가 약 50% 감소하여 열 성능 향상이 확인되었다.
• 302 mm 알루미나 디스크 양면에 SWS를 레이저 에어레이션으로 제작하는 데 4일 이내로 완료되어 대규모 제작의 가능성을 입증하였다.
• 이번이 운영 중인 천체 관측 기구에 레이저 에어레이션 SWS ARC를 적용한 알루미나 광학 요소로 최초로 보고된 사례이다.