KR100393644B1 - 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 푸리에 분광법을 이용하여 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다. 보다 상게하게는 간단하면서도 정확하게 물질의 광학적특징인 굴절률과 흡수 계수를 동시에 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 광원과; 상기 광원으로부터 발진된 광을 광의 세기가 동일한 제 1 및 제 2광로(光路)로 나뉘어지도록 분할하는 빛살가르개와; 상기 빛살가르개로부터 분할된 제 1광로의 측정대상 물질을 통과하는 광을 이동경로로 되반사시키는 제 1반사경과; 상기 빛살가르개로부터 분할된 제 2광로를 기준 경로로 삼아 광을 이동경로로 되반사시키는 제 2반사경과; 상기 제 1 및 제 2반사경에서 되반사되는 광들을 빛살가르개로부터 검출하는 광검출기와; 상기 제 2반사경으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터와; 상기 스캔모터로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치가 제시된다.
따라서, 본 발명에 제시되는 간단한 방법으로 굴절률뿐만 아니라 흡수율을 동시에 측정할 수 있다. 즉, 동시에 굴절률과 흡수율을 측정함으로서 물질의 특성 측정에 시간을 현저히 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 푸리에 분광법을 이용하여 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다. 보다 상게하게는 간단하면서도 정확하게 물질의 광학적특징인 굴절률과 흡수 계수를 동시에 측정할 수 있는 측정 장치에 관한 것이다.
좋은 광소자를 만들기 위해서는 광소자에 사용되는 광학물질의 광학적 특성인 굴절률과 흡수율의 측정이 필수적이다. 물질의 흡수율을 파장에 따라 측정하는 가장 간단한 보통 넓은 대역폭의 광대역 광원(broad band light source)을 측정하려는 물질에 입사시켜서 투과되는 빛을 분광기를 사용하여 측정한다.
현재 고가인 분광기 대신 스캔되는 간섭계를 이용하는 푸리에 변환 분광법은 간단하면서도 정확히 물질의 흡수율을 측정할 수 있다는 장점이 있어서 일찍부터 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그러나, 종래 물질 굴절률의 측정방법은 지금까지 분광기 또는 레이저를 사용하는 방법만이 사용되었다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 푸리에 변환 분광법을 이용함으로서 고가의 가변파장 레이저나 분광기 등을 필요로 하지 않으면서 물질의 흡수율 뿐만 아니라 굴절률도 간단하고 정확하게 측정할 수 있는 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 1) LED와 같은 광대역 광원을 이용하여 간섭계를 구성하고, 간섭계의 한쪽 팔에 측정할 광섬유를 넣고 다른 한쪽 팔의 길이를 간단한 DC모터를 사용하여 밀어주면서 스캔해서 거리에 따른 간섭무늬를 측정한다. 2) 얻어진 간섭무늬 데이터를 푸리에 변환한다. 3) 푸리에 변환에 의하여 얻어진 데이터는 광 세기 파트와 또한 위상의 정보를 가진 항으로 나누어지며 이 광 세기로부터 물질의 흡수계수를 얻고 위상의 정보를 가진 항으로부터 물질의 굴절률을 계산한다. 4) 여기에 스캔하는 거리를 실시간으로 측정하는 미세 거리 측정장치를 도입하여 푸리에 변환 때 생기는 오차를 현저하게 줄임으로써 매우 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 스캔되는 마이켈슨 간섭계와 푸리에변환 분광법을 이용하여 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 측정하는 장치를 도식화한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 스캔되는 마하젠더 간섭계와 푸리에변환 분광법을 이용하여 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 측정하는 장치를 도식화한 구성도이다.
도 3은 도 1의 스캔되는 마이켈슨 간섭계에 스캔되는 위치를 실시간으로 모니터하기 위하여 레이저를 사용한 장치를 도식화한 구성도이다.
도 4는 도 2의 빛살가르개를 광섬유방향성결합기로 대치한 측정장치를 도식화한 구성도이다.
도 5는 도 3에서의 빛살가르개를 광섬유방향성결합기로, 파장분할빛살가르개를 WDM 광섬유방향성결합기로 대치한 측정장치를 도식화한 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 마이켈슨(Michelson) 간섭계를 사용하여 푸리에 분광법에 의한 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 측정하는 장치를 도식화한 구성도이다.
도 1를 살펴보면, 광원(100)과; 상기 광원(100)으로부터 발진된 광을 광의 세기가 동일한 제 1 및 제 2광로(光路)로 나뉘어지도록 분할하는 빛살가르개(110)와; 상기 빛살가르개(110)로부터 분할된 제 1광로의 측정대상 물질(120)을 통과하는 광을 이동경로로 되반사시키는 제 1반사경(130a)과; 상기 빛살가르개(110)로부터 분할된 제 2광로를 기준 경로로 삼아 광을 이동경로로 되반사시키는 제 2반사경(130b)과; 상기 제 1 및 제 2반사경(130a,130b)에서 되반사되는 광들을 빛살가르개(110)로부터 검출하는 광검출기(140)와; 상기 제 2반사경(130b)으로부터실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터(150)와; 상기 스캔모터(150)로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터(160)로 이루어져 있다.
이 때, 상기 광원(100)은 선폭이 50 - 100nm 정도를 가지는 발광다이오드(LED) 또는 선폭이 수백 나노미터(nm) 정도를 갖는 아크램프를 사용할 수 있다. 또한, 상기 광원(100)으로는 백색 광원, 수퍼컨티뉴엄(super continuum)을 사용할 수 있다.
상기 스캔모터(150)는 실시간으로 간섭계의 한쪽 팔의 거리를 스캔하기 위하여 DC 모터 또는 스테퍼 모터를 사용하여 제 2광로에 있는 제 2반사경(130b)을 스캔해 줄 수 있다. 여기서, 간섭무늬를 얻기 위한 거리의 스캔은 제 1광로에 있는 제 1반사경(130a)을 움직여 주어도 무방하다.
이어서, 도 1의 작용에 대하여 살펴보면 사용 광원(100)에서 발진된 광은 빛살가르개(110)를 통하여 세기가 동일한 두 개의 광으로 나누어져서 상이한 광경로로 진행한다.
즉, 하나의 광로(光路)는 기준경로가 되는 제 2광경로이며, 다른 하나는 측정대상 물질(120)이 놓여진 제 1광로이다. 제 1광로를 지나는 광은 측정대상 물질(120)을 통과하여 제 1반사경(130a)에 이르고 다시 방향을 바꾸어 이동한 경로는 되돌아가서 다시 빛살가르개(110)를 지난 후 광검출기(140)로 들어간다.
한편, 기준경로인 제 2광로를 지나는 광은 제 2반사경(130b)에서 반사되어 되돌아가며 빛살가르개(110)를 통과한 후에 광검출기(140)에서 제 1광로를 통과해서 온 빛과 만나서 간섭현상을 일으킨다.
이 때, 시간에 따라서 일정한 속도로 스캔된 간섭무늬 데이터를 수집한 후에 푸리에 변환하면 측정하려는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 이용하여 광섬유의 굴절률과 흡수계수를 측정하는 장치이다.
도 2를 살펴보면, 광원(200)과; 상기 광원(200)으로부터 발진된 광을 광의 세기가 동일하게 나뉘어지도록 분할하는 제 1빛살가르개(210a)와; 상기 제 1빛살가르개(210a)로부터 분할된 광을 반사시키기 위한 제 1반사경(220a)과; 상기 제 1반사경(220a)에 의해 측정대상 물질(230)을 통과한 광을 반사시키기 위한 제 2반사경(220b)과; 상기 제 2반사경(220b)으로부터 반사된 광을 분할하는 제 2빛살가르개(210b)과; 상기 제 1빛살가르개(210a)와 제 2빛살가르개(210b) 사이에 위치하여 입사된 광을 한쪽 경로로 반사시키기 위한 레트로반사경(240)과; 상기 제 2반사경(210b)과 레트로반사경(240)에서 반사되는 광들을 제 2빛살가르개(210b)로부터 검출하는 광검출기(250)와; 상기 레트로반사경(240)으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터(260)와; 상기 스캔모터(260)로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터(270)로 이루어져 있다.
상기와 같이 구성된 도 2의 경우 도 1에 도시된 일 실시예의 경우와 달리 빛이 측정대상 물질(230)을 한쪽 방향으로만 통과하게 되며, 레트로 반사경(Retroreflector; 240)을 사용해서 한쪽 경로를 일정한 속도로 천천히 스캔하여 준다.
그러나, 도 1 및 도 2의 경우 측정장치가 간단하다는 이점이 있지만 불규칙적인 공기의 흐름이나 주변의 온도차이 때문에 스캔하는 거리가 일정치 않게 되고 이 때문에 푸리에변화 상에서 오차가 발생하게 된다는 단점을 갖는다.
이를 보완하기 위해서 도 3에서는 도 1의 측정장치에 레이저 광원을 첨가하여 스캔하는 거리를 모니터하여 푸리에 변환에서 생기는 오차를 줄여주는 장치를 도식화한 것이다.
도 3를 살펴보면, 광원(300)과; 레이저(310)와; 상기 광원(300) 또는 레이저(310) 광의 파장을 분할하는 제 1파장분할 빛살가르개(320a)와; 상기 제 1파장분할 빛살가르개(320a)로부터 반사된 광이 제 1 및 제 2광로(光路)로 나뉘어지도록 분할하는 빛살가르개(330)와; 상기 빛살가르개(330)로부터 분할된 제 1광로의 측정대상 물질(340)을 통과하는 광을 이동경로로 되반사시키는 제 1반사경(350a)과; 상기 빛살가르개(330)로부터 분할된 제 2광로를 기준 경로로 삼아 광을 이동경로로 되반사시키는 제 2반사경(350b)과; 상기 제 1 및 제 2반사경(130a,130b)에서 되반사되는 광들을 재분할시키는 제 2파장분할 빛살가르개(320b)와; 상기 제 2파장분할 빛살가르개(320b)로부터 분할된 광을 각각 검출하는 제 1,2광검출기(360a,360b)와; 상기 제 2반사경(350b)으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터(370)와; 상기 스캔모터(370)로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터(380)로 이루어져 있다.
좀 더 상세히 살펴보면, 제 1파장분할 빛살가르개(320a)를 사용하여 파장대가 서로 다른 광원(300)과 레이저(310)를 서로 묶어주고 검출기 부분에서 다른 하나의 제 2파장분할 빛살가르개(320b)를 사용하여 레이저(310)와 광대역 광원(300)의 빛을 분리하여 각각 제 1광검출기(360a)와 제 2광검출기(360b)를 사용하여 측정한다.
즉, 제 1광검출기(360a)에 의해서 측정된 레이저(310)에 의한 간섭무늬를 분석하면 제 1경로와 제 2경로의 상대적인 스캔거리를 알 수 있다.
이상에서와 같이 일정치 못한 스캔 간격을 가지는 간섭무늬 데이터를 레이저(310)를 사용한 미세거리 측정장치를 이용하여 모니터된 거리측정 데이터를 사용하여 컴퓨터(380) 상에서 수치적인 데이터 인터폴레이션(data interpolation)방법을 이용하면 일정한 스캔간격을 가지는 간섭무늬데이터로 보정된 데이터를 얻을 수 있으며, 이렇게 얻은 새로운 데이터를 가지고 푸리에 변환을 함으로써 측정의 오차를 현저히 줄일 수 있다.
도 4는 도 2의 빛살가르개를 광섬유방향성결합기로 대치한 측정장치를 도식화한 구성도이다.
도 4를 살펴보면, 광원(400)과; 3dB 이득을 갖으며 입사된 광을 분리 결합시키는 제 1방향성 결합기(410a)와; 한쪽 진행 방향으로 광의 경로를 조절하기 위한 편광조절기(420)와; 상기 편광된 광을 측정대상 물질(440)로 통과시켜 광의 진행 방향으로 전송하기 위한 제 1콜리메이트(440a,440b)와; 상기 제 1방향성 결합기(410a)로부터의 광을 통과시키지 않고 에어(air)만을 전송하기 위한 제 2콜리메이트(450a,450b)와; 상기 제 1,2콜리메이트(440a,440b)(450a,450b)로부터 전송된 광과 에어(air)를 분리 결합시키기 위한 제 2방향성 결합기(410b)와; 상기 제 2방향성 결합기(410a)로부터 결합된 광을 검출하는 광검출기(460)와; 상기 제 2콜리메이트(450a)으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터(470)와; 상기 스캔모터(470)를 구동하기 위한 모터구동기(480)와; 상기 스캔모터(470)로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터(490)로 이루어져 있다.
도 4의 경우는 도 2의 경우와 비슷하게 마하젠더 간섭계를 사용하지만 도 2의 빛살가르개(210a,210b) 대신에 광섬유 방향성 결합기(410a,410b)를 사용하여 대치한 것이다.
도 5는 도 3에서의 빛살가르개를 광섬유방향성결합기로, 파장분할빛살가르개를 WDM 광섬유방향성결합기로 대치한 측정장치를 도식화한 구성도이다.
도 5를 살펴보면, 광원(500)과; 레이저(510)와; 3dB 이득을 갖으며 상기 광원(500)과 레이저(510) 광을 분리 결합시키는 제 1광섬유 방향성결합기(520a,520b)와; 한쪽 진행 방향으로 광의 경로를 조절하기 위한 편광조절기(530)와; 상기 편광된 광을 측정대상 물질(540)로 통과시켜 광의 진행 방향으로 전송하기 위한 제 1콜리메이트(550a,550b)와; 상기 제 1광섬유 방향성결합기(520a,520b)로부터의 광을 통과시키지 않고 에어(air)만을 전송하기 위한 제 2콜리메이트(560a,560b)와; 상기 제 1,2콜리메이트(550a,550b)(560a,560b)로부터 전송된 광과 에어(air)를 분리 결합시키기 위한 제 2광섬유 방향성결합기(570a,570b)와; 상기 제 2광섬유 방향성결합기(570a,570b)로부터의 광을 각각 분리하여 검출하는 제 1,2광검출기(580a,580b)와; 상기 제 2콜리메이트(560a)으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터(590)와; 상기 스캔모터(590)를 구동하기 위한 모터구동기(595)와; 상기 스캔모터(590)로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터(600)로 이루어져 있다.
도 5의 경우는 도3의 경우와 비슷하지만 WDM광섬유 방향성 결합기를 사용하여 광대역 광원(500)과 레이저(510) 빛을 결합 또는 분리시켜 준 것이다.
이상에서와 같이, 도 3,4,5에 도시된 측정장치에서 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 과정을 살펴보면, LED와 같은 광대역 광원을 이용하여 간섭계를 구성하고, 간섭계의 한쪽 팔에 측정할 광섬유를 넣고 다른 한쪽 팔의 길이를 간단한 DC모터를 사용하여 밀어주면서 스캔해서 거리에 따른 간섭무늬를 측정한다.
그 후, 얻어진 간섭무늬 데이터를 푸리에 변환하고 푸리에 변환에 의하여 얻어진 데이터는 광 세기 파트와 또한 위상의 정보를 가진 항으로 나누어지며 이 광 세기로부터 물질의 흡수계수를 얻고 위상의 정보를 가진 항으로부터 물질의 굴절률을 계산한다.
이 때, 스캔하는 거리를 실시간으로 측정하는 미세 거리 측정장치를 도입하여 푸리에 변환 때 생기는 오차를 현저하게 줄임으로써 매우 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 제시되는 간단한 방법으로 굴절률뿐만 아니라 흡수율을 동시에 측정할 수 있다. 즉, 동시에 굴절률과 흡수율을 측정함으로서 물질의 특성 측정에 시간을 현저히 줄일 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면 정확한 굴절률의 측정이 가능할 뿐만 아니라 고가의 레이저나 분광기를 사용하지 않고 간단한 실험 장치로서 굴절률 측정과 흡수계수를 측정할 수 있으므로 계측 장비의 비용을 상당 부분 절감할 수 있다.
Claims (9)
- 광원과;상기 광원으로부터 발진된 광을 광의 세기가 동일한 제 1 및 제 2광로(光路)로 나뉘어지도록 분할하는 빛살가르개와;상기 빛살가르개로부터 분할된 제 1광로의 측정대상 물질을 통과하는 광을 이동경로로 되반사시키는 제 1반사경과;상기 빛살가르개로부터 분할된 제 2광로를 기준 경로로 삼아 광을 이동경로로 되반사시키는 제 2반사경과;상기 제 1 및 제 2반사경에서 되반사되는 광들을 빛살가르개로부터 검출하는 광검출기와;상기 제 2반사경으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터와;상기 스캔모터로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 굴절율 및 흡수율의 측정은 마이켈슨 간섭계 및 마하젠더 간섭계를 사용하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 광원으로는 LED 광원, 백색광원, 아크램프, 수퍼컨티뉴엄을 사용하는 것을 특징으로 하는 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 광원으로 레이저 광원을 첨가하여 스캔하는 거리를 모니터하여 푸리에 변환에서 발생되는 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 광원과;상기 광원으로부터 발진된 광을 광의 세기가 동일하게 나뉘어지도록 분할하는 제 1빛살가르개와;상기 제 1빛살가르개로부터 분할된 광을 반사시키기 위한 제 1반사경과;상기 제 1반사경에 의해 측정대상 물질을 통과한 광을 반사시키기 위한 제 2반사경과;상기 제 2반사경으로부터 반사된 광을 분할하는 제 2빛살가르개과;상기 제 1빛살가르개와 제 2빛살가르개 사이에 위치하여 입사된 광을 한쪽 경로로 반사시키기 위한 레트로반사경과;상기 제 2반사경과 레트로반사경에서 반사되는 광들을 제 2빛살가르개로부터 검출하는 광검출기와;상기 레트로반사경으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는스캔모터와;상기 스캔모터로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 빛살가르개를 대신에 광섬유방향성결합기를 사용하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 5에 있어서, 상기 광원으로는 LED 광원, 백색광원, 아크램프, 수퍼컨티뉴엄을 사용하는 것을 특징으로 하는 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 광원과;레이저와;상기 광원 또는 레이저 광의 파장을 분할하는 제 1파장분할 빛살가르개와;상기 제 1파장분할 빛살가르개로부터 반사된 광이 제 1 및 제 2광로(光路)로 나뉘어지도록 분할하는 빛살가르개와;상기 빛살가르개로부터 분할된 제 1광로의 측정대상 물질을 통과하는 광을 이동경로로 되반사시키는 제 1반사경과;상기 빛살가르개로부터 분할된 제 2광로를 기준 경로로 삼아 광을 이동경로로 되반사시키는 제 2반사경과;상기 제 1 및 제 2반사경에서 되반사되는 광들을 재분할시키는 제 2파장분할 빛살가르개와;상기 제 2파장분할 빛살가르개로부터 분할된 광을 각각 검출하는 제 1,2광검출기와;상기 제 2반사경으로부터 실시간으로 간섭계의 거리를 스캔하기 구동되는 스캔모터와;상기 스캔모터로부터 스캔된 간섭무늬 데이터를 기초로 푸리에 변환하여 측정하고자 하는 물질의 굴절률과 흡수율을 동시에 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
- 청구항 8에 있어서, 상기 빛살가르개 대신에 광섬유 방향성결합기를 사용하며, 상기 파장분할 빛살가르개 대신에 WDM 광섬유 방향성결합기를 사용하는 것을 특징으로 하는 물질의 굴절율과 흡수율을 동시에 측정하는 장치.
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