KR100645800B1 - 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간 분포 분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치에 관한 발명으로서 평행한 테라헤르츠파를 발생하는 발생부와, 평판에 구멍을 형성하여, 발생된 테라헤르츠파의 특정 시간적, 공간적 부분을 샘플링(sampling) 하는 포집부; 및, 포집부는 삼차원적 미세한 위치 이동이 가능한 자동 제어부를 포함하며, 포집된 파형을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 테라헤르츠파의 전계분포 분석장치는 펄스형 테라헤르츠파의 시간에 따른 전계분포를 경제적이고 3차원적인 높은 분해능으로 측정이 가능하도록 하는 효과가 있다.

테라헤르츠파(THz), 시공간 전계분포(spatio-temporal amplitude), 주사법(scanning method)

Description

펄스형 테라헤르츠파의 시,공간 분포 분석 시스템{An analysis system of THz pulse for detecting spatio-temporal amplitude distribution}

도 1은 테라헤르츠파의 주파수 영역을 포함한 전자기파의 스펙트럼을 나타낸 도면,

도 2는 안테나에 의한 테라헤르츠파의 검출 시스템을 나타낸 도면,

도 3은 CCD 카메라를 이용한 테라헤르츠파의 검출 시스템을 나타낸 도면,

도 4는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석시스템을 나타낸 도면,

도 5는 정밀이동 장치가 부착되고 구멍을 형성한 평판으로 이루어진 포집부를 나타낸 도면,

도 6은 구멍이 형성된 평판에 편광기를 부착한 것을 나타낸 도면이다.

본 발명은 테라헤르츠파의 전계분포 분석 시스템에 관한 것으로, 구멍을 형성한 평판을 이용하여 테라헤르츠파의 일부를 포집하고, 삼차원적 미세한 공간 이동이 가능한 정밀이동장치를 평판에 부착하여 펄스형 테라헤르츠파의 진행방향과 수직으로 주사하면서 각 부분의 전기장을 측정함으로써, 파의 시간에 따른 공간적 분포 분석의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 새로운 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석 시스템에 관한 것이다.

1896년 마르코니가 단파 무선통신에 대한 연구를 성공하여 전자기파의 무한한 응용 가능성을 보였다. 이후 일상생활에서부터 학문적 분야까지 다양한 종류의 전자기파를 사용하고 있다.

우리가 빛이라고 말하는 광파는 1895년 X-ray(10²⁰Hz 이상)를 투시 촬영기에 이용한 이후 그 사용범위를 넓혀 나갔다. 이러한 광파의 발전에 획기적인 역할을 한 것이 1960년대에 빛을 증폭할 수 있는 레이저를 개발한 것이다. 이를 바탕으로 광파는 광통신과 같은 통신기술과 학문적 연구를 위한 도구로 발전되어 왔다.

하지만 도 1에서 나타나듯이 이런 양 방향의 발전에도 불구하고, 1970년대 후반까지도 테라헤르츠파 주파수 영역대는 신호원(source)과 검출기(detectror) 개발의 어려움 때문에 응용할 수 없는 미지의 세계로 남아 있었다. 이후 극초단 펄스 레이저의 출현과 반도체 기술의 발전으로 이를 이용한 테라헤르츠 전자기파 신호원을 개발할 수 있었다.

테라헤르츠파의 응용분야를 살펴보면, 크게 고체 분광학, 생물학 및 의약 분야, 영상 장치, 근접장을 이용한 분광학(Infrared near-field microscopy)등 폭 넓은 분야에서 응용되고 있다.

고체 분광학(Spectroscopies of solids)에서는 테라헤르츠 전자기파의 투과 성을 이용하면 반도체나 유전물질(dielectric materials)에 대한 광학적, 전기적 특성을 파악할 수 있다. 이러한 분광학은 다른 방법들에 비해 많은 이점이 있다.

대부분의 실험에서 측정하는 전기적 특성은 직류 전도도만을 측정한다. 또 그 대상에 접점을 만들어야 하는 전처리를 해야 하며, 그로 인한 많은 실험오차가 발생한다. 하지만 테라헤르츠파 분광학은 그러한 전처리 과정 없이 측정 대상체에 투과를 시킴으로써 측정이 가능하다. 따라서 전처리 과정에서 발생하는 오차가 없는 순수한 특성을 파악할 수 있다.

또한 결맞음(coherent)이 우수하기 때문에 기존의 적외선 분광학보다 위상이 변화와 신호의 퍼짐현상을 정확하게 측정할 수 있다.

생물학 및 의학분야의 응용에 있어서, 테라헤르츠 주파수 대역대에는 생물학 분자의 리간드(ligand)의 결합구조나 단백질 DNA의 꼬임이나 접합 등에 의해 발생하는 에너지가 존재한다. 따라서 테라헤르츠 전자기파 분광학을 이용하면 생명현상에 일어나는 여러 가지 아주 빠른 현상들을 관측할 수 있다.

또한 테라헤르츠 전자기파의 물에 대한 높은 반응성은 물분자 구조체(cluster)와 생물학 분자와의 구조적(dynamics)인 상호작용의 기전(mechanics)을 알 수 있다. 따라서 생물학이나 의학의 생리학적 연구 및 암 등의 질병들의 진단에 이용될 수 있다.

영상장치로의 응용에서, 테라헤르츠 전자기파는 위에서 설명한 대로 주파수 대역상 마이크로파와 가시광선의 중간대역에 위치하고 있다.

따라서, 마이크로파의 장점인 유전물질에 대한 투과성과 빛의 장점인 직진성 을 동시에 가지고 있다. 또한 위에서 설명한대로 화학물질과의 우수한 반응성과 생물학적인 안정성(stability) 때문에 기존에 사용 되고있는 X-ray보다도 훨씬 안전한 비파괴 영상화기기로써 응용이 가능하다.

그리고 근접장을 이용한 분광학에서는 앞에서 소개한 대로 테라헤르츠파의 유전체에 대한 투과성과 생물학 물질에 대한 좋은 특성이 있어 영상화에 대한 많은 응용이 가능하다. 그럼에도 불구하고 수백 마이크론이나 되는 파장 때문에 생기는 회절한계로 인해 고배율의 해상도를 얻기 어려웠다.

하지만 최근 연구에서 나노팁과 테라헤르츠파를 이용하여 이 회절한계를 극복하고 수십 마이크론에서 수 백 나노미터까지 해상도를 향상시킬 수 있음이 나타났다. 이를 통하여 테라헤르츠 전자기파를 이용한 나노크기의 영상 획득이 가능하게 되었으며 그 물체의 화학적 특성 분석이 가능하게 되었다.

이처럼 많은 분야에서의 활용과 다양한 장점으로 인하여 테라헤르츠파의 전기적, 물리적, 화학적 특성등에 대한 분석과 그 자체의 전계분포를 분석하는 연구는 중요한 과제로 대두 되고 있다.

특히, 본 발명과 관련하여 테라헤르츠파의 전계분포등의 정확한 시, 공간적 분포 분석에 있어서, 종래에는 CCD 카메라나 이동형 안테나를 이용해서 이루어 졌는데, 이하 안테나에 의한 추출법과 CCD 카메라에 의한 방법을 살펴 보기로 한다.

테라헤르츠파는 속도가 매우 빨라서(또는 주파수가 너무 높아) 오실로스코프와 같은 전기적인 계측기로는 검출을 할 수 없기 때문에 전기-광학적인 방법을 이용하는데, 그 중 한가지가 광전도 표본추출법(Photoconductive sampling)이다. 즉, 안테나에 의한 추출법이다.

도 2에서 광전도 표본추출법은 저항이 아주 높은(>20 MΩ) 광전도 매질 위에 만들어진 헤르찌안 쌍극자 아테나(103)에 극초단파 레이저 펄스와 테라헤르츠 전자기파를 동시에 입사시킨다.

그러면 레이저에 의해 안테나 사이에서 발생한 전하 전류와 테라헤르츠파 전자기파 사이의 상호작용에 의한 표본추출 직류 전류의 변화를 측정하는 방법이다.

이러한 표본 추출법을 사용하기 위해서는 극초단파 펄스 레이저(100)를 빔분리기(beam splitter)(101)를 이용하여 두 갈래로 나눈 후 그 두개의 레이저가 하나는 테라헤르츠파를 발생(106) 시키고 나머지는 이를 검출(103)할 수 있도록한다.

일반적으로 테라헤르츠파는 검출을 하기 위한 반도체의 전하수명 시간보다 훨씬 긴 시간폭을 갖는다. 따라서 테라헤르츠파의 파형을 얻기 위해 지연장치(102)를 두어 두개의 여행경로 중 한 곳에 시간지연(time delay)을 할 수 있도록 한다.

그리고 검출을 하기 위해서 사용되는 광전도 매질(103)은 아주 짧은 시간대(<10^-12s)의 전자-구멍쌍(electron-hole pair)의 빠른 결합을 요구한다. 이러한 대표적인 매질로 RD-SOS(radiation damaged-silicon on sapphire)와 LT-GaAs(low-temperature grown GaAs)가 있다.

그리하여 테라헤르츠 발생기로부터 방사된 펄스형 테라헤르츠파의 공간적 전계분포를 측정하기 위해서는 검출기 안테나(103)의 위치를 변화시키며 측정하는 것인데, 일반적으로 1차원적 공간이동 및 측정만이 가능하다.

또 다른 테라헤르츠파의 검출법으로 CCD(Charge Coupled Device) 카메라에 의한 전기-광학적 추출법(Electro-optic sampling)을 설명하면, 전기-광학적 매질(Electro-optic crystal)이 가지고 있는 전기-광학적 효과를 이용한 방법이다.

전기-광학적 효과란 전기장을 전기-광학적 매질에 가함으로써 그 매질의 광축에 따른 굴절율이 바뀌는 것을 말한다. 이 중 선형변화인 포겔스 효과(Pockels effect)를 이용하여 테라헤르츠파가 매질에 도달했을 때와 그렇지 않을 때에 보이는 굴절율의 변화를 극초단 레이저 펄스의 세기의 변화로 측정한다.

도 3에서 극초단파 펄스 레이저(200)에서 빔 분리기(beam splitter)(201)를 통해 한가지 경로는 테라헤르츠파의 발생(206)을, 다른 경로는 광전기 매질(204)을 거치도록 나누어 진다. 그리고 나누어진 빔들은 분석기(Analyser)(205)를 통해 위상을 세기 변화로 변환시키고 CCD 카메라(208)에 의해 테라헤르츠파의 2차원적 분포를 측정할 수 있게 된다.

위에 설명한 바와 같이 종래의 테라헤르츠파의 전계분포 분석장치에 있어서, CCD 카메라 방식은 2차원적 공간에서의 분석이 가능하나 공간적 분해능이 떨어지며 장치가 복잡하고 고가이다. 또한 이동식 안테나에 의한 광전도 검출법(Photoconductiv method)은 공간적으로 1차원 공간에서의 시간적 분석에만 제한되어 있다는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 구멍을 형성한 평판을 이용하여 테라헤르츠파의 일부를 포집하고, 삼차원적 미세한 공간 이동이 가능한 정밀이동장 치를 평판에 부착하여 펄스형 테라헤르츠파의 진행방향과 수직으로 주사하면서 각 부분의 전기장을 측정함으로써, 파의 시간에 따른 전계분포를 경제적이고 3차원적인 높은 분해능으로 측정이 가능하도록 하는 펄스형 테라헤르츠파의 전계분포 분석시스템을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 평행한 테라헤르츠파를 발생하는 발생부와, 평판에 구멍을 형성하여, 발생된 테라헤르츠파의 특정 시간적, 공간적 부분을 샘플링 하는 포집부; 및, 포집부는 삼차원적 미세한 위치 이동이 가능한 자동 제어부를 포함하며, 포집된 파형을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 위 발생부는 광전도 안테나 방법, 광정류 방법 또는 반도체 표면전계 방법으로 테라헤르츠파를 발생시키는 것이 바람직하다.

또한, 위 발생부는 렌즈 또는 파라볼릭 미러(parabolic mirror)를 이용하여 빔의 직경을 증가시키고, 평행한 빔을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 포집부는 중앙부에 구멍이 형성된 평판으로 구성되며, 이 구멍의 직경은 평행한 테라헤르츠파 직경의 1/10 이하인 것이 바람직하다. 또한 위의 포집부는 평판의 구멍부분에 편광기를 부착하는 것을 포함할 수 있다.

더 나아가, 제어부는 삼차원적으로 미세한 위치 이동이 가능한 자동 정밀장치가 설치된 것을 특징으로 하는 것을 포함할 수 있다.

그리고 위 검출부는 광전도 표본추출법 또는 전기-광학적 표본추출법으로 검 출하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예인 펄스형 테라헤르츠파의 시, 공간적 전계분포 분석장치를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 4에서 도시한 바와 같이 펄스형 테라헤르츠파의 전체적인 구성은 펄스형 테라헤르츠파를 발생하는 발생부(300,301,303,307)와, 발생된 파의 일부를 포집하는 포집부(310); 및 포집된 파를 검출 분석하는 검출부(304,306)로 구성된다.

이때, 발생부는 티타늄-사파이어의 극초단파 레이저(300)에서 발생된 빔을 빔분리기(Beam splitter)를 거쳐 쵸퍼(307)를 통해 광전류를 제어 하는 안정된 빔을 입사 시키고, 입사된 빔은 광전도 매질(Photoconductive matter)에 입사하여 펄스형 테라헤르츠파를 발생하는 것으로 구성된다.

여기서, 테라헤르츠파의 발생은 광전도 안테나(Photoconductiv antenna) 광정류 방법(Optical Rectification) 또는 반도체표면전계법(semiconductor surface field)로 형성할 수 있다.

광전도 안테나 방법은 바이어스 전압이 걸려있는 전극이 설치된 반도체 표면에 밴드갭(bandgap)에너지 보다 큰 레이저 광을 조사했을 때 표면에 형성된 전자-구멍 짝(electron-hole pair)이 생겨 전극사이에 매우 짧은 순간 전류가 흐르는데, 이 전류의 시간미분에 비례하는 전자기파(테라헤르츠파에 해당)가 발생되는 원리를 이용한 것이다.

광정류 방법(Optical rectification)은 강한 빛에 의해 발생하는 비선형 광 학 특성을 이용한 것으로 광 신호원을 받아들일 때 생기는 시간 의존적인 분극(time-dependent polarization)현상을 이용하는 방식이다.

이러한 분극현상을 이용하기 위해 광전도 매질(303)에 극초단 레이저(300) 펄스를 입사 시켜 분극현상을 발생시키고 아주 짧은 시간동안의 시간 의존적인 전기장을 형성한다. 이로 인해 매질의 내부에 있는 전자들이 가속도 운동을 하며 테라헤르츠파를 발생시킨다. 광정류 방법의 장점은 극초단파 레이저 펄스의 성질을 조절하여 테라헤르츠 전자기파의 특성을 변형시킬 수 있다.

또한 반도체 표면 전계법은 특수한 반도체 표면에 레이저 광을 조사했을 때 반도체 표면에 형성된 전자-구멍짝이 반도체 표면에 내재하는 전계에 의해서 가속될 때 테라헤르츠파가 발생하는 원리를 이용하는 방법이다.

나아가, 위의 발생부는 광전도 매질(303)에서 방사되는 테라헤르츠파 펄스를 파라볼릭미러(parabolic mirror)등(305)을 이용해 평행한 빔을 형성하고, 또한 렌즈(305)를 조정해 빔의 사이즈를 조절하도록 할 수 있다.

전자기파는 매우 넓은 영역의 주파수 대역에 걸쳐 있는 광대역 펄스인 경우 구멍을 충분히 크게 해야 낮은 주파수 대역의 전자기파가 차단되지 않고 모두 구멍을 통과할 수 있다. 그러나 구멍이 커지면 공간적 분해능이 저하되는 단점이 생긴다. 이에 본 발명에서는 테라헤르츠파 빔의 직경을 샘플링을 위한 구멍보다 10배 이상 크게 함으로써 충분한 공간 분해능을 확보할 수 있게 된다.

한편, 도 5에서 도시한 바와 같이 위의 포집부는 중앙부에 구멍(321)이 형성된 평판(320)으로 구성되며, 이 구멍(321)은 평행한 테라헤르츠파의 직경에 1/10 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

위의 구멍을 펨토초 레이저(femtosecond laser)를 이용하는 펄스형 테라헤르츠파의 발생기술에 적용할 경우, 공간 분해능을 위해 구멍의 지름은 대략 1mm 이상이어야 하므로 본 발명에서는 테라헤르츠파 3cm으로 확장하고 이 크기의 1/10 이하인 3mm의 직경의 구멍을 형성한다.

이러한 구멍의 직경의 크기는 펄스형 테라헤르츠파가 지름 3cm 정도의 평행파로 형성되기 때문에 차단주파수가 낮은 GHz 대역이고, 회절등의 광학적 결함요인을 적게 하기 위함이다.

또한 위의 포집부는 도 6에서 도시한 바와 같이 평판(330)의 중앙부 구멍에 편광기(335)를 부착할 수 있다. 이 편광기를 통해 펄스형 테라헤르츠파의 편광분포를 시,공간적으로 분석할 수 있게 하기 위함이다.

더하여, 도 5에서 도시한 바와 같이 위의 제어부는 평판(320)에 삼차원적으로 미세한 위치 이동이 가능한 정밀 이동장치(327)를 부착하는 것이 가능하다. 위의 정밀 이동장치(327)의 위치변화 간격을 줄일수록 공간 분해능은 더욱 향상된다.

이처럼 구멍을 가지고 있는 평판을 자동화된 정밀 이동장치를 통해 미세하게 펄스형 테라헤르츠파의 진행방향에 수직으로 위치변화시킴으로써,테라헤르츠파의 2차원적인 전계 분포를 얻을 수 있으며, 또한 평판을 테라헤르츠파와 평행방향으로 이동시켜 측정하면, 3차원 공간에서의 펄스형 테라헤르츠파의 전기장 분포를 알 수 있다.

그리고 바람직하게는, 도 4의 검출부(303)는 광전도 표본추출법(Photoconductive sampling) 또는 전기 광학적 표본 추출법(Electro-optic sampling)으로 테라헤르츠파를 검출하는 것이 가능하다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 펄스형 테라헤르츠파의 전계분포 분석장치에 대하여, 종래의 분석장치에 의한 프로파일(profile)과 비교하여 본 발명의 효과를 이하 첨부도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

첨부한 도 7은 테라헤르츠파의 검출장치중에 하나인 광정류 방법에 의해 CCD 카메라로 2차원적 테라헤르츠파의 전계분포를 나타낸 것이다. 즉, 도 3에서 도시한 바와 같이 테라헤르츠파의 발생기(206)로부터 광-전기 시스템(204)을 경유하고 분석기(205)를 통과한 CCD 카메라(208)에 의해 촬영된 테라헤르츠파의 2차원적 전계분포 사진이다.

도 7에서 나타낸 바와 같이 공간적 분해능이 좋지 않고 2차원적 분포에 한정되어 있다는 단점이 있다.

첨부한 도 8은 이러한 문제점을 개선하기 위해 본 발명에서 제안한 새로운 테라헤르츠파의 전계분포 분석장치에 의한 테라헤르츠파의 기본 파형과 스펙트럼을 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명에서 제안된 테라헤르츠파의 전계분포 분석 시스템에 의해 검출된 테라헤르츠파의 기본파형과 이에 상응하는 2차원 전계분포를 나타 낸 것이고, 위의 2차원 분포에 따른 광축으로의 3차원 분포까지 고분해능으로 나타나 있음을 알 수 있다.

또한, 시간에 따른 테라헤르츠파의 이동패턴이 아주 명확하게 나타나 있고, 도10에서 시간에 따른 테라헤르츠파의 3차원적 전계분포의 변화가 선명하게 나타나 있음을 알 수 있다.

이로써 종래의 테라헤르츠파의 전계분포 분석 시스템의 공간적, 시간적 분포분석의 한계와 낮은 분해능의 문제점을 훌륭하게 개선 시켰음을 알 수 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 구멍을 형성한 평판과 정밀이동장치를 부착하여 테라헤르츠파의 일부를 포집하는 검출 분석장치를 제공하면, 펄스형 테라헤르츠파의 시간에 따른 전계분포를 경제적이면서, 3차원적인 뛰어난 분해능으로 측정이 가능하도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 테라헤르츠파의 전계분포 분석장치에 있어서,

   평행한 테라헤르츠파를 발생하는 발생부와;

   평판에 구멍을 형성하여, 발생된 테라헤르츠파의 특정 시간적, 공간적 부분을 샘플링 하는 포집부; 및,

   상기 포집부는 삼차원적 미세한 위치 이동이 가능한 자동 제어부를 포함하며,

   상기 포집된 파형을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발생부는 광전도 안테나 방법(Photoconductive antenna), 광정류 방법(Optical rectification) 또는 반도체 표면 전계법(semiconductor surface filed)으로 테라헤르츠파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 발생부는 렌즈 또는 파라볼릭 미러(parabolic mirror)를 이용하여 빔의 직경을 증가시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
4. 제 3항에 있어서

   상기 직경이 증가된 빔은 평행한 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 포집부는 중앙부에 구멍이 형성된 평판으로 구성되며, 상기 구멍의 직경은 평행한 테라헤르츠파의 직경에 1/10 이하인 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 포집부는 평판의 구멍부분에 편광기를 부착하는 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 제어부는 3차원적으로 미세한 위치 이동이 가능한 자동 정밀장치로 설치된 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 검출부는 광전도 표본추출법(Photoconductive sampling) 또는 전기 광학적 표본 추출법(Electro-optic sampling)으로 테라헤르츠파를 검출하는 것을 특징으로 하는 펄스형 테라헤르츠파의 시,공간적 전계분포 분석장치.

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