공간 빛 위상 변조기를 이용한 광학적 대기 교란 효과 모사 연구

Abstract

대기를 채널로 이용하는 레이저 응용 분야(통신, 무기 등)에 있어서 복잡한 굴절률 분포를 갖고 시간에 따라 변동하는 대기의 광학적 특성을 이해하는 것은 필수적이다. 실제 현장에서 대기 채널을 진행하는 레이저의 특성을 분석하기 위해서는 원거리 간 대형 광학계를 설치해야 하는 어려움이 있다. 또한 날씨에 따라 대기와 지면과의 온도 차 및 일조량 등 여러 대기 조건이 시공간적으로 끊임없이 변화함에 따라 무작위로 변화하는 대기 채널의 광학적 특성을 안정적으로 분석하는 데 제약이 있다. 따라서 실제 현장의 대기 교란에 대한 광학적 특성 연구에 앞서 실험실에서 인위적으로 대기 교란을 모사하고 이를 진행하는 빛의 특성을 분석하는 방법이 일반적으로 활용된다. 대기는 여러 대기 조건들의 무작위한 변화에 의해 난류를 형성한다. 이러한 대기 난류는 무작위한 크기와 밀도를 갖는 공기 덩어리의 소용돌이(난류 소용돌이)를 구성하고, 이는 대기 난류의 굴절률을 시공간적으로 무작위하게 분포하게 한다. 이러한 무작위한 굴절률 분포를 공간 주파수 전력 스펙트럼 밀도 형태의 통계적 모델로 제시한 Kolmogorov 이론이 대기 교란 연구에 널리 사용된다.[3,7,10,11] Kolmogorov 이론을 통하여 대기 난류 내에서 일정 거리를 전파한 평면파의 파면 왜곡을 계산할 수 있으며 이를 2차원 위상판을 통하여 구현할 수 있다. 대기 교란 모사를 실험실 내에서 구현하기 위하여 본 연구에서는 공간 빛 위상 변조기(Spatial light modulator)를 사용하였다. 공간 빛 위상 변조기는 빛의 광경로를 변조할 수 있는 여러 개의 작은 픽셀 배열이 입사한 빛의 파면을 높은 공간 분해능으로 변조하는 장치이며, 컴퓨터를 통해 원하는 패턴으로 파면을 조작할 수 있어서 다양한 대기 교란 조건을 모사할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 특정 대기 교란 조건에 의한 왜곡을 위상판으로 전산 모사하고 이를 반사형 공간 빛 위상 변조기를 통하여 구현하였다. 이후 위상판을 수직으로 지나는 평면파의 빛 세기의 요동과 파면 왜곡을 각각 카메라와 파면 센서로 측정하여 공간 빛 위상 변조기 기반 위상판의 대기 교란 효과를 분석했다. 모사한 대기 교란 효과를 정량화 하기 위해 빛 세기 요동 데이터와 파면 데이터로부터 각각 빛 세기 요동의 분산을 의미하는 Rytov variance와 파면 왜곡의 정도를 나타내는 Fried parameter를 계산하고, 위상판 계산에 사용한 변수와 비교했다. Rytov variance 실험 결과로부터 단일 위상판을 통한 약한 수준의 대기 교란 조건 모사의 가능성을 확인할 수 있었고 향후에 시스템 잡음에 의한 오류를 개선하고 다중 위상판 사용 등으로 3차원 대기 교란 모사 기법을 개선하면 더 다양한 대기 교란 조건에 대한 모사와 측정이 가능할 것으로 기대할 수 있었다. 또한 Fried parameter 실험 결과로부터 위상판을 통한 대기 교란에 의한 파면 왜곡 구현에 대한 가능성을 확인하였다.