IPS: 광학 절연체로 레이저 신뢰성 향상

과제

라만분광 및 이미징은 품질 관리(QC)부터 다형체 식별, 라벨 없이 살아 있는 세포 이미징, 화학 공정 모니터링 응용 분야에 이르기까지 연구 및 산업 환경에서 샘플을 조사하는 강력한 방법입니다. 이는 라만 효과가 푸리에 변환 적외선(FTIR)과 유사하게 분광적으로 분해된 화학 지문 데이터를 생성하지만 유리 파이버, 렌즈를 통해 수성 샘플로 투과될 수 있는 가시광선 및 근적외선 파장의 빛을 사용하기 때문입니다. 라만 스펙트럼을 정확하게 측정하는 데 필요한 도구는 소형 독립형 분광계와 현미경을 탄생시킨 세 가지 기술의 융합으로 완전히 바뀌었습니다. 이 세 가지 기술이란 소형 고출력의 좁은 선폭 반도체 및 고체 레이저, 상대적으로 강렬한(Rayleigh) 산란 레이저 광을 제거하기 위한 홀로그램형의 가파른 에지 장거리 통과 필터, 저잡음 다원소 광검출기 및 카메라입니다.

가장 경제적이고 크기가 작은 레이저는 반도체 다이오드 레이저를 기반으로 합니다. 그러나 라만에서 사용하려면 레이저 파장이 매우 좁고 안정적이어야 합니다. 검증된 접근 방식은 패브리-페로 다이오드 레이저 칩을 사용하고 출력을 볼륨 브래그 격자(VBG)라는 필터 유형에 고정하는 것입니다. 이것이 Innovative Photonic Solutions(IPS)가 라만 현미경, 계기 및 연구원의 OEM 제조업체를 위해 단일 주파수 출력으로 제조하는 Digital-D 유형 레이저 모듈의 기초입니다. IPS 레이저는 널리 사용되는 638nm 및 785nm의 라만 여기 파장과 기타 여러 파장으로 제공됩니다. 그러나 다이오드 레이저 칩의 특성상 대부분의 라만 응용 분야에 필요한 재현성과 신뢰성을 확보하는 것이 쉽지 않았습니다.

솔루션

Greg Charache 박사는 IPS의 포토닉스 부사장입니다. Charache는 이렇게 설명합니다. "단일 공간 모드 다이오드 레이저의 가장 일반적인 고장 원인은 다이오드 칩의 취약한 출력면에 대한 치명적인 광학적 손상(COD)으로서, 높은 레이저 강도가 과열되어 결국 반도체가 용융될 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다." 예를 들어 COD는 초기 고전력 직접 다이오드의 수명을 제한하는 요인이었으며, 이 부분은 Coherent가 알루미늄이 없는 활성 영역, AAA 및 다이오드 레이저 장치 형태의 솔루션을 개척하고 나서야 개선되었습니다. 그러나 COD는 다운스트림 광학 장치의 역반사로 인해 모든 전력 수준에서 다이오드 레이저에서 여전히 잠재적으로 발생할 수 있습니다.

Charache는 이렇게 덧붙입니다. "라만 현미경은 매우 정밀하게 정렬된 광학 시스템입니다. 따라서 실리콘 웨이퍼와 같은 고광택 샘플, 그리고 유리 슬라이드와 같은 샘플 지지대에서 역반사를 생성할 수 있습니다. 그 결과 빔이 "접혀" 다이오드 레이저 칩 자체로 다시 반사되어 COD를 유발할 수 있습니다. 그리고 IPS의 추가 조사에 따르면 웨이퍼는 원자적으로 평평하고 강력한 라만 신호를 생성하기 때문에 반도체 업계 외부의 많은 연구원들도 실리콘 웨이퍼를 사용하여 라만 현미경을 정렬한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이렇게 하면 이러한 공초점 시스템을 쉽게 보정하고 정렬할 수 있지만, 우리는 이것이 일부 레이저 모듈의 조기 실패로 이어지는 원인이라고 보았습니다."

이러한 유형의 역반사를 제거하는 가장 쉬운 방법은 빛의 단방향 밸브 역할을 하는 광학 절연체라는 장치를 사용하는 것입니다. 광학 편광판과 파장판의 정밀한 조합으로 구성되어 있는 광학 절연체는 빛의 효율적인 순방향 전송을 허용하는 동시에(예: >92%) 역방향으로의 광 전송을 효과적으로 차단합니다(예: >33dB 감쇠).

IPS는 제품 개발 연구소에서 광범위한 테스트 및 평가를 거친 후 IPS를 위해 특별히 맞춤화된 Coherent의 Tornos 광학 절연체를 선택했습니다. 이 절연체에는 광학적으로 접촉된 편광 빔 스플리터 큐브가 포함되어 있어, 현존하는 다른 절연체에 비해 더 높은 투과율을 자랑합니다. Charache는 이렇게 말합니다. "우리는 이제 완전히 통합된 Tornos 광학 절연체 옵션으로 모든 Digital-D 유형 모듈을 공급합니다. 모든 라만 고객, 특히 현미경을 생산하는 OEM과 자체 현미경을 제작하는 최종 사용자에게 이 옵션을 권장합니다."

결과

Charache에 따르면 이러한 변화의 결과는 즉각적이고 극적이었습니다. Charache는 이렇게 말합니다. "우리는 COD로 인해 이러한 레이저 모듈에 현장 오류가 꾸준히 발생하는 상황에서 문제를 완전히 제거했습니다. 모두가 이점을 누렸습니다. OEM 고객 불만족의 위험이 없으며, 레이저 불안정성으로 인하여 브랜드 이미지에 부정적인 영향이 미칠 가능성에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 그리고 가장 중요한 것은 최종 사용자가 레이저 오류 가능성에 대한 걱정 없이 라만 현미경으로 실험을 예약하고 수행할 수 있다는 것입니다. '예약'이라고 표현하는 이유는 많은 라만 현미경이 대부분 공유형 분석 기기로 사용되기 때문입니다. 이러한 사용 방식이 원활하게 작동하려면 당연히 사용하는 그때그때 성능 수준이 우수해야 합니다."

Charache의 말에 따르면 이러한 단일 주파수 반도체 레이저 모듈은 턴키가 단순하며 현재 신뢰성도 높아져, 라만 현미경, 라만분광 및 공정 라만과 같은 주요 응용 분야 외에도 계측 및 간섭계, 원자 시계, 최첨단 양자 컴퓨팅 연구 등 다른 까다로운 응용 분야에서 해당 제품의 인기가 높아지고 있습니다.

성공 사례 더 보기