정확한 모드전송선로 이론 (MTLT)을 적용하여 원추형 광 입사에서 공진 회절격자의 특성을 조사하였다. 원추형 구성에서 공진 회절과 관련된 모드 벡터가 전형적이 구조의 회절격자와 관련된 것보다 입사각에 따라 작게 변한다는 것을 보여주었다. 더욱이, 소멸하는 회절파가 공진 효과를 담당하는 누설 모드를 구동함에 따라, 원추형 장착은 기존 회절격자보다 더 큰 각도 허용 오차를 회절격자에 부여함을 보였다. 이에 기초하여, 수치 계산을 통하여 원추형 입사에서 발견된 스펙트럼을 사용하여, 원추형 및 클래식 구성에서 공진 회절격자의 각도-스펙트럼과 파장-스펙트럼 성능을 정량화하였다. 이러한 결과는 효율적이고 물리적으로 희소한 공진 회절격자를 요구하는 다양한 응용 분야에서 유용할 것이다.
회절 현상의 기초가 되는 호이겐스 원리로부터 키르히호프 공식을 유도하고 이어 이를 응용한 프레넬 회절과 프라운호퍼 회절에 대한 수학적인 도출을 소개하였다. 프레넬 회절은 후에 CTEM 영상 이론에 기반이 되고 프라운호퍼 회절은 수학적으로 Fourier 변환을 나타내어 전자회절 패턴이론과 HRTEM 영상이론에 기반을 이루게 된다. 다른 각도에서 개발된 Born 시리즈에 의한 산란 현상에 관한 이론도 소개하였다. 본회에서 소개된 이론은 후에 소개될 이론의 기반이 되면서 자주 사용되므로 일반물리학에서 많이 소개되고 있는 회절 현상에 대하여 이 기회에 이론적인 실력을 단단히 쌓았으면 한다.
가속된 전자빔을 금속회절격자의 위로 통과시킬 때 결맞은 복사광(coherent radiation)이 발생하는데 이를 Smith- Purcell 효과라고 한다. 이때 발생하는 전자기파의 파장은 회절격자의 주기, 전자빔의 속도 및 복사광의 방출각도에 관계된다$^{(1)}$ . 그리고 방출된 복사광의 출력세기는 전자빔의 군집을 고려하지 않는 경우, 회절이론(diffraction theory)에 의해 얻을 수 있는데, 그 세기는 입사시킨 전자빔의 전류세기에 선형적으로 비례한다$^{(2)}$ . (중략)
여수로는 월류시 한계류 상태와 고유속의 사류상태가 복합적으로 일어나는 복잡한 흐름형태를 가지고 있어 여수로의 단면설계시 수리적인면뿐만 아니라 구조적인 측면에서도 안정해야 하며 경제성이 고려되어야 한다. 그래서 고유속의 흐름을 갖는 여수로에 축소부를 고려할 경우 충격파에 의한 수위상승과 하류의 흐름 교란 등 수리학적인 불안정이 발생하기 때문에 설계시 경제적인 장점이 있음에도 불구하고 단면축소부를 고려하여 여수로를 설계하는 것은 현실적으로 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 단면축소를 고려한 여수로 설계를 위하여 3차원 수치모형인 Flow-3D를 이용하여 충격파로 인하여 발생하는 교차파 저감을 모의하기 위하여 수치실험을 실시하였다. 교차파 저감을 위해 축소부내에서 교차파가 발생하도록 축소부의 각도는 유입흐름 특성을 고려하여 적정하게 설정하였다. 수치실험결과 축소부의 각도가 작을수록 첫번째 교차파의 수위는 크게 발생하지 않으나 단면축소후 교차파가 하류로 전파되어 불안정한 흐름이 연속적으로 발생하고, 과대하게 설정할 경우 첫번째 발생하는 교차파에 의해 중앙부의 수위가 크게 상승하는 결과를 보였다. 또한 본 연구에서는 축소부단면내 회절판(diffractor) 설치전 후의 수리학적 거동을 모의하여 회절판의 흐름개선 효과를 검증하였다.
Littrow형 회절격자를 이용한 확장공진기를 657 nm 영역에서 연속동작하는 상용 InGaAsP 단일모우드 가시광 반도체를 이용하여 구성하였다. 제작한 확장공진기 시스템에서 657 nm InGaAsP 가시광 반도체 레이저의 선폭은 60 MHz에서 10 MHz 이하로 축소되었다. Littrow 회절격자의 설치각도와 레이저의 온도 및 주입 전류에 대한 반도체레이저의 주파수(파장) 의존성을 레이저 파장계를 이용하여 측정하였다. 상용 CQL820D 가시광 반도체레이저의 회절격자의 설치각도, 레이저 온도 및 주입전류에 대한 비례계수는 각각 1THz/mrad, 32.4 GHz/K, 그리고 6.14 GHz/mA 이었다.
고체 표면의 구조해석 방법에는 LEED(저에너지 전자선 회절법)나 RHEED(반사 고에너지 전자선 회절법) 등과 같이 표면의 2차원적 회절상을 해석하는 방법이 있고(역격자 공간의 해석), 또는 ISS(이온산란 분광법), RBS(러더포드 후방산란법) 등과 같이 표면 원자의 실공간에 대한 정보를 직접 얻는 방법이 있다. 실제로는 두 가지 종류의 분석법을 상호 보완적으로 조합하여 효율적인 구조해석을 수행한다. 본고에서는 직충돌 이온산란 분광법(ICISS: Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy)에 대한 원리, 장치, 측정방법 등을 소개한 전고에 이어서 이를 이용한 반도체 표면구조 해석에 관하여 기술하고자 한다. 표면의 원자구조를 알아내기 위해서는 산란된 입자의 강도를 입사각도와 출사각도에 대하여 조사하여야 하는데, 이온이 원자와 충돌하여 산란될 때 원자의 후방으로 형성되는 shadow cone에 의하여 생성되는 집속 효과(focusing effect) 및 가리움 효과(blocking effect) 중에서 ICISS는 집속 효과만을 고려하여 해석하면 실공간에서의 원자구조를 해석할 수 있다. 본 고에서는 ICISS를 이용하여 금속 또는 절연체 물질이 반도체 표면 위에서 흡착 또는 성장될 때 초기의 계면 구조 해석, 금속/반도체 계면에서 시간에 따른 동적변화 해석, III-V족 반도체의 표면구조 해석, 반도체 기판 위에서 박막 성장 과정 해석 등에 관한 연구 사례를 소개하고자 한다.
본 논문에서는 균일한 다중 홀로그램을 얻기 위한 몇 가지 노출 시간 계획을 분석하고 실험을 통해 $LiNbO_3$:Fe(0.015wt%) 결정에 기록된 홀로그램의 회절 효율을 측정하였다. 높은 각도 분해능을 갖는 시스템 (최소 각도 : $0.0028^{\circ}$)을 이용하여 두 입사빔의 세기비와 최소 단위의 다중화 각도가 정밀하게 조사되었다. 초기 기록시간, 전체 노출시간, 그리고 시간상수를 고려하여 100개의 회절분포(0.014 ${\pm}$ 0.005%)를 측정하였으며, 330개의 아날로그 영상을 동일한 장소에 기록하였다. 또한 공간 다중화를 통해 총 500개 이상의 홀로그램이 재생되었다.
본 연구에서는 Penney와 Price(1952)의 해석 해를 사용하여 반무한방파제, 양익방파제등에서 발생하는 회절현상에 대한 해석 해를 구하였다. 양익방파제가 경사지게 위치한 경우에도 중첩을 통하여 해석 해를 구할 수 있었으며, 이를 바탕으로 방파제의 위치와 입사파랑의 각도에 따른 각각의 경우에 대하여 해석 해를 구할 수 있다. 또한, 구조물에 입사된 파랑성분과 구조물의 폭만큼의 개구부를 갖는 양익방파제를 통과하는 회절파성분과 같게 표현될 수 있는 반사파성분을 서로 중첩시켜 구조물 전면부에서 발생되는 완전반사 및 부분반사현상에 대한 해석 해를 제시하였다. 국내의 실무에서 해안 및 항만 구조물 설계에 사용되는 수치프로그램들의 정확도를 간단히 판단할 수 있는 비교 대상으로 이러한 해석해가 이용될 수 있으리라 판단된다.
2개의 결합층과 2개의 격자 층으로 구성된 회절격자 구조를 형성하고, 최적화 기법을 통하여 -1차에서 높은 투과 회절 효율을 가지는 회절격자를 설계하였다. 설계된 회절격자는 설계 중심파장에서 99.997%의 transverse electric wave 회절 효율을 가지고 있었으며, 95% 이상의 회절 효율을 유지하는 파장 폭이 80 nm이고 입사각 폭이 20.0°이었다. 회절격자 공차 분석을 수행하여 95% 이상의 회절 효율을 가지기 위한 두께 공차가 최소 60 nm 이상 확보되어 있고, 내부각도 10° 이내의 사다리꼴 모양에서도 회절 효율을 유지할 수 있음을 확인하였다.
격자의 구조가 간단하고 격자의 대조비가 낮은 SBC 시스템 구성을 위한 무편광 유전체 다층박막 회절격자를 설계하였다. SBC 방법으로 결합한 빔의 빔 품질을 높게 유지하기 위하여 회절격자의 파면 왜곡이 최소화되는 구조를 제안하였으며, 오염에 의한 흡수가 발생하지 않고 회절격자를 제작할 수 있는 구조로 회절격자를 최적화 설계하였다. 설계된 회절격자는 1055 nm 중심파장에서 Littrow 각도로 입사하는 경우 무편광 -1차 회절 효율이 99.36%이었으며, 96% 이상의 무편광 회절 효율을 나타내는 공정 여분이 확보되어 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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