KR100926039B1 - 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법에 관한 것으로, 펨토초 레이저로 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하여 연속발진 테라헤르츠파의 주파수와 비교 분석하여 주파수를 측정하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사해 주는 제1광원부(10); 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 제2광을 조사하는 제2광원부(20); 샘플(50)을 투과한 연속발진 테라헤르츠파와 조사된 제2광에 의해 생성된 테라헤르츠 주파수 빗살을 비교하여 가장 인접한 주파수를 검출하는 검출기(30); 및 이 인접 주파수를 분석하는 분석수단(40);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
테라헤르츠, 검출기, 티타늄-사파이어 레이저, 후방파 발진관
Description
본 발명은 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법에 관한 것으로, 특히 테라헤르츠 주파수 빗살을 이용하여 연속발진 테라헤르츠파의 주파수를 측정하는데에 있어 정밀도 및 분해능으로 향상시킬 수 있는 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 테라헤르츠파(Terahertz, THz)는 파장이 가시광선이나 적외선 보다 길고 X선처럼 투과력이 강할 뿐만 아니라 인체에 해가 없기 때문에 1990년대 중반 이후로 본격적인 연구가 시작되었다.
특히, THz파는 파장이 적외선과 마이크로파 사이에 속하는 초고주파로, 광펌핑 THz 레이저(Optically pumped terahertz laser, OPTL), 시간영역 분광기(Time domain spectrometer, TDS), 후방파 발진기(Backward wave oscillator, BWO), 직접 다중 광원(Direct multipled(DM) source), 주파수 혼합법(Frequency mixing, FM)등의 방법으로 THz의 광원을 얻고 있다.
광펌핑 THz 레이저의 주파수영역 0.3~10 THz이며, 시간영역분광기(TDS)에서 발생한 THz광은 0.1~2 THz 펄스를 발생시키며, 후방파 발진기(BWO)는 전자관(electron tube)을 사용하여 0.1~1.5 THz의 연속광을 발생시키는데 10 kG의 균일한 고자장이 필요하다. 직접다중광원(DM)은 mm파를 발생시키며 이들의 다중배인 0.1~1.5 THz광을 발생시키고, 근적외선 레이저를 광혼합(photomixing)한 주파수 혼합법(FM)은 0.3~10 THz광을 발생시키는 것으로 알려져 있다.
광대역 THz광 검출은 열흡수를 기초로 한 직접검출기(direct detector)를 사용하는데 이들은 배경 복사열을 감소시키기 위하여 냉각시킨다. 직접검출기로는 액체 He에 냉각시킨 실리콘(Si), Ge, InSb 볼로미터(bolometer, 저항복사열계)를 사용한다. 볼로미터는 THz광흡수에 의해 가열되면 이것을 볼로미터의 저항변화로 감지하여 입사광의 세기를 측정한다. 극히 민감한 볼로미터로는 Nb와 같은 초전도체가 있다.
그러나, 기존의 연속으로 발진하는 THz의 광원을 측정하는 방법에서는 복사선의 측정에 이용되는 볼로미터를 통해 주파수를 측정하기 때문에 THz 광원의 주파수에 대한 정밀도와 분해능이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 펨토초 레이저로 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하여 연속발진 테라헤르츠파의 주파수와 비교 분석하여 주파수를 측정하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다
이를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사해 주는 제1광원부(10);
테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 제2광을 검출기(30)에 조사하는 제2광원부(20);
상기 샘플(50)을 투과한 연속발진 테라헤르츠파와, 조사된 제2광에 의해 생성된 테라헤르츠 주파수 빗살을 비교하여 가장 인접한 주파수를 검출하는 검출기(30); 및
이 인접 주파수를 분석하는 분석수단(40);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 제1광원부(10)는 후방파 발진관인 것을 특징으로 하며, 0.1~1.5 THz의 연속발진 테라헤르츠파를 발생시켜 주는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2광원부(20)는 테라헤르츠 주파수 빗살을 생성하기 위해 표준 주파수와 펨토초 레이저 펄스의 주파수를 합성하고 동기화하여 레이저 펄스 주파수를 안정화시킨 펨토초 레이저인 것을 특징으로 한다.
또한, 검출기(30)는 테라헤르츠 주파수 빗살로부터 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 분석수단(40)은 다음의 [식 1]으로부터,
f=nf1+ㅿf
여기서, f는 연속발진 테라헤르츠의 주파수를, n은 빗살에서 n번째 주파수를, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 각각 나타낸다.
연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 인접한 주파수(nf1)와의 차이(ㅿf)를 산출하는 것을 특징으로 한다. 특히, 분석수단(40)은 RF 스펙트럼 분석기인 것을 특징으로 한다.
특히, 본 발명에 따르는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기는 샘플(50)과 제1광원부(10) 사이에 광의 도달 시간을 지연시켜 주는 지연라인(11)이 더 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따르는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법은,
연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사하는 단계(S100);
테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 제2광을 검출기(30)에 조사하는 단계(S200);
제2광을 조사받은 검출기(30)에서 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하는 단계(S300);
테라헤르츠 주파수 빗살과 비교하여 연속발진 테라헤르츠파의 주파수와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출하는 단계(S400); 및
인접 주파수로부터 주파수의 차이(ㅿf)를 분석하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 조사단계(S100)는 연속발진 테라헤르츠파가 샘플(50)에 도달하는 시간을 지연시키는 단계(S110)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때의 시간 지연단계(S110)는 샘플(50)을 투과한 THz 펄스를 순차적으로 검출하여 지연시간이나 시간 영역으로 표시할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
특히, 조사단계(S100)는 0.1~1.5 THz의 연속발진 테라헤르츠파를 발생시켜 주는 것을 특징으로 한다.
또한, 분석단계(S500)는 다음의 [식 1]으로부터,
f=nf1+ㅿf
여기서, f는 연속발진 테라헤르츠의 주파수를, n은 빗살에서 n번째 주파수를, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 각각 나타낸다.
연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 인접한 주파수(nf1)와의 차이(ㅿf)를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 표준 주파수와 동기화된 펨토초 티타늄-사파이어 초고속 레이저를 이용한 THz 검출기를 통하여 연속적으로 발진하는 THz 광원을 측정함으로써, 주파수의 정밀도와 분해능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 테라헤르츠 분광기의 구성 및 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 테라헤르츠 분광기를 개략적으로 도시한 개략도이다.
본 발명은 연속발진 테라헤르츠파를 생성하는 제1광원부(10)와, 테라헤르츠 빗살을 생성하기 위한 제2광을 생성하는 제2광원부(20)와, 상기 테라헤르츠 빗살로부터 가장 인접한 주파수를 검출하는 검출기(30)와, 상기 검출기(30)로부터 검출한 주파수를 분석하는 분석수단(40)을 포함하여 이루어진다.
제1광원부(10)는 통상적으로 전자관을 사용하여 0.1~1.5 THz의 연속광을 발생시켜 주는 후방파 발진기(Backward wave oscillator)를 사용한다.
특히, 제1광원부(10)는 연속발진 테라헤르츠파을 생성하여 샘플(50)에 조사하여 준다. 본 발명의 바람직한 구현예에서는 샘플(50)에 입사되기 전에 광원이 도달 시간을 지연시킬 수 있도록 지연 라인(11)을 거치도록 구성하는 것이 바람직하다.
이는 제1광원부(10)로부터 조사된 연속발진 테라헤르츠파이 간섭에 따른 펄스를 얻거나 영상 등을 얻는 경우에 지연 시간을 실시간으로 측정하여 샘플(50)의 투과되는 깊이에 따른 THz 영상 등을 얻는데 사용하기 위함이다.
제2광원부(20)는 표준 주파수와 펨토초 레이저 펄스의 주파수를 합성하고 동기화하여 레이저 펄스 주파수를 안정화시킨 펨토초 레이저로, 상기 검출기(30)에 조사되어 이 검출기(30)에 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2광원부(20)로는 합성(synchronoized) 주파수 티타늄-사파이어 레이저를 이용한다.
검출기(30)는 샘플(50)을 투과한 연속발진 테라헤르츠파와 제2광원에 의해 형성된 테라헤르츠 주파수 빗살을 검출하고, 연속발진 테라헤르츠파와 테라헤르츠 주파수 빗살을 비교하여 가장 인접한 빗살 주파수를 검출한다. 이를 좀 더 상세하게 설명하면, 도 2에서 도시한 바와 같이, 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출한다. 여기서, n은 테라헤르츠 주파수 빗살의 n번째 주파수와 가장 인접하다는 의미이며, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 나타낸다.
이렇게 검출된 신호는 증폭기(31)를 통해 증폭된 광신호로서 분석수단(40)에 입력된다.
분석수단(40)은 인접한 주파수(nf1)와 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)로부터 다음의 [식 1]과 같이 분석하여 주파수 차이(ㅿf)를 얻게 된다.
[식 1]
f=nf1+ㅿf
여기서, f는 연속발진 테라헤르츠의 주파수를, n은 빗살에서 n번째 주파수 를, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 각각 나타낸다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 분석수단(40)은 RF 스펙트럼 분석기를 사용하여, 연속발진 테라헤르츠 주파수와 빗살 사이의 상호 작용을 얻을 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명에 따른 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 테라헤르츠 분광 측정방법을 나타낸 플로우챠트이다.
본 발명에 따른 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법은 크게 다음의 5단계에 따라 이루어진다.
우선, 연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사하는 단계(S100)를 거친다. 이때, 0.1~1.5 THz 영역의 연속발진 테라헤르츠파를 조사하게 된다. 특히, 조사단계(S100)는 샘플(50)을 투과한 THz 펄스를 순차적으로 검출하여 지연시간이나 시간 영역으로 표시할 수 있도록 시간 지연단계(S110)를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.
이어, 제2광을 검출기(30)에 조사하는 단계(S200)를 거친다. 제2광은 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 광이다. 이처럼, 테라헤르츠 주파수 빗살을 생성하기 위해 표준 주파수와 펨토초 레이저 펄스의 주파수를 합성하고 동기화하여 레이저 펄스 주파수를 안정화시킨 펨토초 레이저를 이용하게 된다.
세번째 단계로, 제2광을 입사받은 검출기(30)에서 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하는 단계(S300)를 거친다. 이때 생성된 주파수 빗살은 연속발진 테라헤르츠파의 주파수와 비교하여 인접 주파수를 결정하는데 이용된다.
그 다음 단계로, 인접 주파수(nf1)를 검출하는 단계(S400)를 거친다. 이 단계(S400)에서는 도 2에서 도시한 바와 같이, 테라헤르츠 주파수 빗살에서 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출한다. 도 2에서, 부호 n은 인접 주파수(nf1)가 n번째임을 의미하고, f1은 빗살의 간격 주파수를 의미한다.
마지막으로, 검출단계에서 검출된 검출값을 바탕으로 주파수의 차이(ㅿf)를 분석하는 단계(S500)를 거친다. 이때의 분석은 상술한 [식 1]을 이용한다.
따라서, 임의의 연속발진 테라헤르츠파를 볼로미터로 측정하면 단순히 광원의 세기 만을 측정할 수 있으나 표준주파수와 합성한 펨토초 레이저를 이용하여 테라헤르츠 주파수 빗살을 검출기에 형성하면 이 빗살이 분광기 역할을 하여 연속 발진 테라헤르츠 주파수 측정의 정밀도와 분해능을 향상시킬 수 있어 시료가 갖는 정 보를 정확히 알 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
본 발명에 따른 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기 및 그 측정방법는 다음과 같이 다양하게 이용할 수 있다.
1) THz 레이저를 영상 기술에 도입하여 원적외선과 mm파 사이의 THz광의 펄스를 얻어 인체와 같은 생체 조직에 조사한 다음 투과 또는 반사된 THz광의 비행 시간과 흡수량을 측정함으로써 생체 조직의 내부 영상을 얻을 수 있다.
2) 이외에도 고고학적 유물평가, 화학반응의 신속한 분석, 환경공해감시, 품질관리, 산업물질의 결함검출, 식품가공산업, 반도체와 박막의 비접촉 특성평가, 공항에서 폭약과 무기검색, 천문학 등에 광범위하게 응용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 테라헤르츠 분광기를 개략적으로 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 테라헤르츠 빗살의 파형을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따라 분석된 주파수 차이를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 테라헤르츠 분광 측정방법의 플로우 챠트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제1광원부
11 : 지연 라인
20 : 제2광원부
30 : 검출기
31 : 증폭기
40 : 분석수단
50 : 샘플
Claims (13)
- 0.1~1.5 THz의 연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사해 주는 후방파 발진관인 제1광원부(10);테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 제2광을 검출기(30)에 조사하는 제2광원부(20);상기 샘플(50)을 투과한 연속발진 테라헤르츠파와 조사된 상기 제2광에 의해 생성된 테라헤르츠 주파수 빗살을 비교하여 가장 인접한 주파수를 검출하는 검출기(30); 및상기 인접 주파수를 분석하는 분석수단(40);을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 제2광원부(20)는 테라헤르츠 주파수 빗살을 생성하기 위해 표준 주파수 와 펨토초 레이저 펄스의 주파수를 합성하고 동기화하여 레이저 펄스 주파수를 안정화시킨 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 제 1 항에 있어서,상기 검출기(30)는 상기 테라헤르츠 주파수 빗살로부터 상기 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 제 1 항에 있어서,상기 분석수단(40)은 다음 식으로부터,f=nf1+ㅿf여기서, f는 연속발진 테라헤르츠의 주파수를, n은 빗살에서 n번째 주파수를, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 각각 나타낸다.상기 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 인접한 주파수(nf1)와의 차이(ㅿf)를 산출하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 제 6 항에 있어서,상기 분석수단(40)은 RF 스펙트럼 분석기인 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 제 1 항, 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 분광기는 상기 샘플(50)과 상기 제1광원부(10) 사이에 광의 도달 시간을 지연시켜 주는 지연라인(11)이 더 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광기.
- 연속발진 테라헤르츠파를 생성하여 샘플(50)에 조사하는 단계(S100);테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하기 위한 제2광을 검출기(30)에 조사하는 단계(S200);상기 제2광을 조사받은 검출기(30)에서 테라헤르츠 주파수 빗살을 형성하는 단계(S300);상기 테라헤르츠 주파수 빗살과 비교하여 연속발진 테라헤르츠파의 주파수와 가장 인접한 주파수(nf1)를 검출하는 단계(S400); 및상기 인접 주파수로부터 주파수의 차이(ㅿf)를 분석하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 조사단계(S100)는 상기 연속발진 테라헤르츠파가 샘플(50)에 도달하는 시간을 지연시키는 단계(S110)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분 해능의 테라헤르츠 분광 측정방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 시간 지연단계(S110)는 샘플(50)을 투과한 THz 펄스를 순차적으로 검출하여 지연시간이나 시간 영역으로 표시할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 조사단계(S100)는 0.1~1.5 THz의 연속발진 테라헤르츠파를 발생시켜 주는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 분석단계(S500)는 다음 식으로부터,f=nf1+ㅿf여기서, f는 연속발진 테라헤르츠의 주파수를, n은 빗살에서 n번째 주파수를, f1은 테라헤르츠 주파수 빗살의 간격 주파수를 각각 나타낸다.상기 연속발진 테라헤르츠파의 주파수(f)와 인접한 주파수(nf1)와의 차이(ㅿf)를 산출하는 것을 특징으로 하는 초정밀 및 고분해능의 테라헤르츠 분광 측정방법.
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