[논문 리뷰] Production and measuring methods and procedures in precision optical cavities production

Jiří Beneš, František Procháska외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 01.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 8인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ULE 유리 스퍼터와 퓌즈드 실리카 거울을 사용하여 프ابر리-페로 레이저 공진기를 정밀 제조하는 공정을 제시한다. 180 mm 길이의 공진기에서 5 arcsec의 면 평행성과 0.014 mm의 원주도를 달성하였다. 이 방법은 맞춤형 공극 드릴링, 스트레스 해소 에칭, 3차원 좌표 측정 기술을 통합하여 31 °C에서 ppm 이하의 안정성을 확보하였으며, 광학 시계 및 주파수 전송용 초안정 레이저를 지원한다.

ABSTRACT

This work presents the development of the production process of a Fabry Perot type laser resonator. It describes the acquired knowledge in the field of production of very precise optical standards, cavities, and lenses. In addition, it describes the measurement methods used in production. The work is intended for industry and science.

연구 동기 및 목표

• 초정밀, 반복 가능한 제조 공정을 개발하여 프ابر리-페로 레이저 공진기의 각도 정확도를 1초 이하로 확보한다.
• 퓨즈드 실리카 거울과 ULE 스퍼터 사이의 열팽창 불일치 문제를 ULE 링을 이용한 기계적 안정화로 해결한다.
• 최소한의 편차와 잔류 스트레스로 180 mm 길이, 12 mm 지름의 장공을 정밀하게 드릴링할 수 있는 방법을 확보한다.
• 3차원 좌표 측정 기술을 활용하여 초정밀 광학 부품의 기하학적 파라미터를 고정밀도로 측정한다.
• 31 °C에서 안정된 공진기 시스템을 설계하여 광학 원자 시계 및 위상일관성 있는 파이버 링크 등 응용 분야를 지원한다.

제안 방법

• 31 °C에서 열팽창 계수가 0인 ULE 유리를 스퍼터 재료로 사용하여 온도에 따른 주파수 이격을 최소화한다.
• 내부 냉각 장치와 레버 보조 분리 기능을 갖춘 맞춤형 300 mm 공극 다이아몬드 접합 드릴을 사용하여 깊은 구멍을 뚫는 데에 활용한다.
• 거칠기 가공 후 잔류 스트레스를 제거하고 가공 잔유물을 제거하기 위해 1:1 HCl/HF 에칭을 적용한다.
• 90 mm 프로브와 8 mm 볼을 갖춘 3차원 좌표 측정기(CMM)를 사용하여 축방향 10 mm 간격으로 공진기 원주도와 원주도를 측정한다.
• 유한요소해석(FEM)을 활용하여 외부 ULE 링을 추가함으로써 거울의 축방향 굽힘을 억제하는 안정화 설계를 최적화한다.
• 모든 광학 및 기계적 인터페이스의 결합 강도와 기계적 안정성을 검증하기 위해 최대 200 °C까지의 열사이클링 시험을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ULE 유리에서 180 mm 길이, 12 mm 지름의 공진기를 고공축성과 고원주도로 드릴링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 초안정 레이저 공진기에서 주파수 이격을 최소화하기 위한 기계적 및 열적 설계 전략은 무엇인가?
• RQ3 퓨즈드 실리카 거울을 ULE 스퍼터에 접합할 때 스트레스와 기하학적 왜곡을 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ4 장공 광학 공진기에서 1초 이하의 각도 정확도와 0.014 mm 원주도를 확보하기 위한 측정 기술은 무엇인가?
• RQ5 31 °C에서 진공 호환성과 장기 안정성을 확보하기 위해 공진기를 어떻게 제조하고 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 180 mm 공진기에서 5 arcsec의 면 평행성과 0.02 mm의 공축성을 확보하여 초안정 레이저의 엄격한 요구사항을 충족시켰다.
• 180 mm 길이에 걸쳐 0.014 mm의 원주도를 확보하여 모드 제어 및 주파수 안정성에 핵심적이다.
• ULE의 0-열팽창 온도점(31 °C)을 활용하여 열이격을 약 3.2 mHz/s로 감소시켰다.
• 맞춤형 공극 드릴과 레이저 모니터링을 통해 최소한의 편차로 180 mm 길이, 12 mm 지름의 구멍을 드릴링하고 측정하였다.
• 200 °C까지의 열사이클링 시험을 통해 결합 강도를 검증하였으며, 진공 및 고온 작동에 대한 내구성을 확인하였다.
• 오목 거울 표면의 루프 미세거칠기(RMS)가 0.472 nm로 측정되어 고급 광학 품질을 입증하였다.