빛은 대기 매질을 통해 전파되는 동안 대기 중의 굴절률 변화로 인해 영향을 받는다. 특히 난류는 공기를 둥글게 뭉쳐서 마치 허공에 다양한 렌즈들이 떠다니는 듯한 효과를 만들어 내기도 하는데, 이러한 현상은 우주를 관측하는 천체망원경의 영상 품질뿐만 아니라 레이저를 대기에 조사하는 경우에도 심각한 악영향을 주게 된다. 이와 같은 문제를 해소하기 위해서 적응광학 기술이 사용된다^[1-3]. 적응광학은 난류로 인한 빛의 위상 왜곡량을 샥-하트만 센서를 통해서 측정한 다음, 이를 얇은 거울판(mirror sheet) 뒤에 다수의 구동기(actuator)를 부착하여 거울판의 형상을 미세하게 변형함으로써 빛의 위상(phase) 및 파면(wavefront)을 정밀하게 제어하는 광학 부품인 변형거울에 되먹임(feed-back)하여 난류 효과를 억제하는 방법이다^[4-7].

본 논문에서는 고에너지 레이저에 사용되는 변형거울을 정밀하게 조립할 수 있는 절차와 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해서 고에너지가 직접 조사되는 변형거울판의 재질을 실리콘-카바이드(SiC)로 선정했는데, 이는 SiC가 Zerodur와 같은 유리 재질에 비해서 열전도도가 높아 레이저 조사로 인한 열변형을 줄일 수 있기 때문이다^[8-10]. 대신 SiC는 유리에 비해 강도와 경도가 높아 쉽게 변형되지 않으므로 그만큼 구동기의 힘을 많이 필요로 하고, 이로 인해 원하는 행정을 구동할 때 거울판과 구동기 사이를 접착하는 본드가 깨질 위험이 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 플렉셔(flexure)라는 기계구조물을 설계하여 거울판과 구동기 사이의 작용 및 반작용을 완화할 필요가 있다. 결과적으로 변형거울은 그림 1과 같이 거울판, 플렉셔, 구동기, 그리고 구동기를 붙잡아주는 기판으로 구성된다.

Figure 1. Concept of the deformable mirror.

변형거울의 목표 성능을 달성하기 위해서는 구동기와 플렉셔 사이의 진직도, 그리고 플렉셔와 거울판 사이의 직각도가 중요하다. 또한 변형거울의 횡방향 분해능(resolution)을 균일하게 확보하기 위해서는 각 구동기 및 플렉셔 사이의 간격을 일정한 정밀도로 유지해야 한다. 본 논문은 변형거울의 구동기와 이웃한 구동기를 4 mm 간격 안에 일정하게 배치하는 것을 목표로 하였다. 이때 구동기의 가로 세로 폭이 3 mm × 3 mm이므로 구동기 간 간격은 1 mm 밖에 되지 않아 고집적 조립이 필요하다. 이를 위해서 본 논문에서는 기판과 구동기, 구동기와 플렉셔, 마지막으로 거울판을 조립하는 절차를 정밀하게 설계한 뒤, 각 단계별 치구(정렬틀)를 설계/제작하여 조립에 적용했다.

2.1. 라인별 구동기 모듈 조립

라인 모듈 방식의 조립절차를 사용하면 통상 30분 가량의 본드 경화시간 내에 라인 모듈 1개를 제작할 수 있어 채널 변형거울을 대량 조립하기에 용이하다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 라인 모듈 조립방식을 제안한다.

우선 첫번째 단계로 구동기 소자를 라인 모듈 기판에 조립한다. 그림 2와 같이 라인 모듈 기판에 EC-2216 에폭시 접착제(3M^TM, MN, USA)를 주입한 뒤, 구동기 밑동을 삽입한다. 이후 그림 3과 같이 각각의 구동기가 라인 모듈 기판에 직립하도록 구동기 위쪽과 아래쪽에 스페이서를 삽입하여 간격을 일정하게 유지한다. 각 스페이서는 정렬틀, 즉 치구 상에 삽입될 수 있도록 설계되었으며, 스페이서의 두께는 5 μm 이내로 균일하게 제작했다.

Figure 2. Line module base and Lead magnesium niobate (PMN) actuators.

Figure 3. Line module jig and its assembling scheme.

조립 뒤 7일에 걸쳐서 상온에서 본드가 완전히 경화되고 나면, 치구를 제거하여 라인 모듈 기판과 구동기를 조합한 라인 모듈을 완성한다.

2.2. 플렉셔 조립

변형거울 조립을 위한 두 번째 절차로 각 라인 모듈의 구동기 상단에 플렉셔를 정밀하게 조립해야 한다. 플렉셔를 구동기 위에 개별 조립하면 플렉셔 사이의 간격이나 진직도에 오차가 발생할 우려가 크므로, 본 논문에서는 정밀하게 가동된 치구 위에 스페이서를 통해 플렉셔를 일정한 간격으로 설치한 뒤, 라인 모듈을 위에서부터 아래를 향하여 거꾸로 조립하는 방식을 채택했다. 그림 4(a)는 치구 상에 스페이서로 플렉셔의 위치를 잡는 모습이며, 그림 4(b)는 플렉셔에 본드를 주입하는 모습이다. 이상과 같이 플렉셔 조립을 마치고 나면, 그림 5의 개념도와 같이 라인 모듈을 위에서 아래로 뒤집어서 각 구동기가 각각의 플렉셔 홈에 대응하여 삽입되도록 조립한다.

Figure 4. Photographic view of (a) flexures setting and (b) adhesive inserting.

Figure 5. Assembly of the line module and flexures.

이후 2.1절과 마찬가지로 상온에서 7일 동안 본드를 경화한 뒤 치구를 제거한다.

그림 6은 제작된 모듈의 플렉셔 윗면 높이를 레이저 변위측정기로 측정하는 모습이다. 그로써 플렉셔의 높이 편차가 10 μm 이내임을 확인할 수 있었으며, 이는 조립에 문제가 없는 충분한 수준이었다.

Figure 6. Height difference check of the flexure by a commercial sensor.

2.3. 기판 및 거울판 조립

세 번째 단계로 2.2절에서 제작된 각 라인별 조립 모듈들을 전체 기반에 조립한다(그림 7 참조).

Figure 7. Photographic view of assembling of line modules in the base part.

본 단계에서 각 라인은 EC-2216 에폭시 접착제(3M^TM)와 볼트를 사용하여 조립하였으며, 라인과 라인 사이의 간격은 스페이서를 통해 조립오차를 수십 μm 이내로 제한하여 조립하였다. 이후 그림 8과 같이 거울판을 아래에서부터 위쪽으로 정밀 스테이지를 통해 상향이동하여 어셈블러 모듈의 플렉셔 윗면과 거울판 아랫면을 최종적으로 조립하는데, 이 때 거울판은 SiC재질의 원판 앞면(그림 8에서 플렉셔와 조립된 면의 반대편)을 연마한 뒤, 레이저 파장에 맞도록 코팅했다. 이때의 형상정밀도는 25 nm RMS 이내이며 이는 광학거울면으로 사용하기에 충분한 수치이다. 최종조립된 변형거울의 모습은 그림 9와 같다.

Figure 8. Concept of the mirror bonding.

Figure 9. Photographic view of the deformable mirror.

변형거울의 조립 성공여부를 확인하기 위해 간섭계로 각 구동기에 전압을 인가하면서 구동이 선형적으로 이루어지는지, 구동 전압에 사인(sin)함수를 인가하면 이를 정확하게 반영하는지 여부를 간섭계 및 레이저 변위측정기를 사용하여 확인해 보았다.

그림 10(a)와 10(b)는 변형거울의 특정 채널에 전압을 인가했을 때 해당 구동기가 조립된 부위의 거울면이 가우시안 형태로 볼록하게 솟구치는 것을 Zygo 피조우 간섭계(DynaFiz®; Zygo Co., CT, USA)^[11]로 측정한 결과이다. 구동기 전압 인가로 인해 볼록하게 솟아오른 높이는 2.8 μm로 측정되었으며, 다른 채널에 동일한 전압을 가했을 때에도 이와 유사한 높이를 얻었다. 그림 10(c)는 변형거울에 1 kHz의 속도로 사인파 전압을 인가했을 때, 해당 부위의 거울면 움직임을 레이저 변위측정기로 실시간 측정한 결과다. 그림 10(c)에서 x축은 시간, y축은 해당 채널에 전압을 인가했을 때 레이저 변위센서로 측정한 변형량(높이)을 의미한다. 본 속도 실험에서는 10(a)의 행정거리 측정에 인가한 전압의 절반을 가했기에 구동행정이 1.5 μm로 측정되었으며(레이저 변위센서의 측정 주기 = 0.02 ms), 사인파 한 주기당 변형 속도가 평균 1 ms인 것으로 보아 변형거울의 채널이 1 kHz의 속도를 정확하게 반영하는 것을 알 수 있었다.

Figure 10. (a) 3D shape of the mirror sheet with an applying voltage at a typical point, (b) its top view obtained by a Fizeau interferometer, and (c) height change at that point according to voltage variation.

그림 10의 실험을 전체 채널에 대해서 반복한 결과도 동일하였으며, 이를 통해 변형거울의 조립이 정상적으로 이루어졌음을 확인했다. 또한 조립 전 변형거울판의 형상오차는 간섭계로 측정했을 때 20 nm RMS 이하 수준이었는데, 조립 완료 후 전압을 인가하지 않은 상태에서는 50 nm RMS 이하로 높아졌으나 이 수치는 본 변형거울을 적응광학계에 적용하는데 충분한 수치로 볼 수 있다.

본 논문에서는 레이저 장거리 전송을 위한 적응광학계의 핵심 부품인 변형거울의 정밀 조립 절차를 제시하였다. 본 조립은 변형거울의 구성품을 요소별로 구분한 뒤, 라인기판과 구동기, 플렉셔, 기판, 거울판 순으로 순차 조립하는 방법으로, 다채널 고집적 변형거울을 정밀하게 조립하는 방법을 최초로 제안하였다. 또한 피조우 간섭계를 통한 거울판 표면 구동 시험, 레이저 변위측정기를 사용한 거울판 표면의 속도 시험을 수행하여 변형거울이 정상적으로 조립되었음을 확인했다.

2024년도 방위사업청 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행(Grant No. KRIT-CT-21-024, 고에너지 레이저용 변형거울 설계 및 파면보상 기술).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가 없이 사용 가능하다.