KR100996638B1 - 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법 - Google Patents

테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 서로 다른 안정화된 반복 주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 2개의 테라헤르츠 펄스파를 중첩시키고, 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시켜 얻은 테라헤르츠 펄스파를 검출하고, 분석하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 분광방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 테라헤르츠파 분광기에 있어서, 각각이 서로 다른 반복주파수를 가지면서 광 모드들의 집합인 팸토초 광 펄스를 발생시키는 2개의 팸토초 펄스레이저; 각각의 팸토초 펄스레이저로부터 발생된 각각의 팸토초 광 펄스를 이용하여, 각각의 반복주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기; 각각의 테라헤르츠 펄스파 발생기로부터 발생된 각각의 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터; 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스파를 검출하는 테라헤르츠 검출기; 테라헤르츠 검출기의 검출 신호와 트리거 신호를 받아서 시간영역데이터를 획득하는 데이터획득장치; 및 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기이다.
Figure R1020080102510
팸토초 펄스레이저, 테라헤르츠 펄스파, 반복주파수, 테라헤르츠 빔스플리터, 테라헤르츠 검출기, 푸리에 변환, 테라헤르츠 분광

Description

테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법{Terahertz Frequency Comb Fourier Transform Spectrometer and Spectroscopic Method}
본 발명은 샘플을 투과하고 나온 테라헤르츠 펄스파를 푸리에 변환하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 서로 다른 안정된 반복 주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 2개의 테라헤르츠 펄스파를 결합시키고, 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시켜 얻은 테라헤르츠 펄스파의 시간영역데이터을 검출하고, 시간영역데이터를 분석하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 분광방법에 대한 것이다.
테라헤르츠파는 0.1 THz와 10 THz 사이의 주파수를 갖는 전자기파로서 적외선과 밀리미터파 사이의 주파수 대역에 해당한다. 이러한 테라헤르츠 대역에는 기체, 액체 또는 고체 상태의 수 많은 물질들의 고유한 특성들이 존재하게 된다. 따라서, 테라헤르츠 펄스파를 이용한 분광은 물질의 많은 중요한 정보를 획득할 수 있어 현재 매우 유용하게 사용되고 있다. 이러한 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테라헤르츠 펄스파를 측정하는 테라헤르츠 분광은 테라헤르츠 대역의 물질의 굴절률, 흡수율 등의 정보를 알아내기 위해 사용된다.
테라헤르츠 분광에는 시간영역 분광과 주파수영역 분광이 있다. 주파수영역의 분광은 연속파 형태의 단일 주파수인 테라헤르츠 파의 주파수를 변화시키면서 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테라헤르츠 펄스파를 측정하여 스펙트럼을 얻는다. 또한, 시간영역 분광은 펄스 형태의 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테라헤르츠 펄스파의 시간영역 파형을 측정하고 시간영역 파형을 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻게 된다.
기존에 시간영역 분광의 경우는 시간파형을 측정하기 위해 하나의 팸토초 펄스레이저를 사용하고 빔스플리터에 의해 2개의 광 펄스로 나누어 하나의 광 펄스는 테라헤르츠 펄스파를 발생하고, 다른 하나의 광 펄스는 테라헤르츠 펄스파를 검출하는데 사용한다. 2개의 광 펄스 사이의 시간지연을 변화시키기 위해 딜레이 스테이지(delay stage) 또는 스케닝 옵티컬 딜레이 라인(scanning optical delay line)을 사용하여 시간영역데이터를 얻는다. 딜레이 스테이지는 스케닝 옵티컬 딜레이 라인에 비해 시간지연의 변화폭이 커서 주파수 분해능이 높은 반면 측정시간이 길다.
또한, 푸리에 변환 분광은 1개의 광원을 사용하고 간섭계를 형성하여 한쪽 팔에 시간지연을 변화시키면서 측정한다. 이 경우에도 시간영역 분광과 마찬가지로 측정시간은 시간지연의 변화 속도에 의존하고 주파수 분해능은 시간지연의 변화폭에 의존하므로 짧은 측정시간과 고분해능을 동시에 얻는 것은 어려운 문제이다.
따라서. 2개의 팸토초 펄스레이저에서 발생되는 서로 다른 반복주파수를 가지는 광 펄스를 이용하여 반복주파수의 차이를 스켄 레이트로 하여 고속 측정이 가능한 테라헤르츠 분광기가 요구되었다.
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따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 서로 다른 반복주파수를 가지는 2개의 팸토초 펄스레이저를 각각 사용하는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기로 서로 다른 반복주파수를 가지는 테라헤르츠 영역대의 테라헤르츠 펄스파를 만들고, 이들을 결합시켜 샘플에 투과하여 얻은 테라헤르츠 펄스파를 검출기로 검출하여 시간영역 파형을 측정하게 된다.
이때, 반복주파수가 서로 다른 두 테라헤르츠 펄스파들 사이의 시간지연이 자동으로 스캔되므로 고속 측정이 가능하다. 반복주파수의 역수에 해당하는 최대 시간지연 상에서 시간영역데이터를 획득하고 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻으므로 스펙트럼의 주파수 분해능은 반복주파수에 해당하는 고분해능이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명은 고속 고분해 테라헤르츠 분광을 가능하게 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 분광방법을 제공하게 된다.
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본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 테라헤르츠파 분광기에 있어서, 반복주파수를 가지면서 광 모드들의 집합인 팸토초 광 펄스를 각각 발생시키는 2개의 팸토초 펄스레이저; 각각의 팸토초 펄스레이저로부터 발생된 각각의 팸토초 광 펄스를 이용하여 반복주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기; 각각의 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터; 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스파를 검출하는 테라헤르츠 검출기; 테라헤르츠 검출기의 검출신호와 트리거 신호를 받아서 시간영역데이터를 획득하는 데이터획득장치; 및 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
팸토초 광 펄스는 각각 서로 다른 반복주파수를 가지고, 테라헤르츠 펄스파도 각각 서로 다른 반복주파수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
팸토초 펄스레이저에서 발생되는 팸토초 광 펄스의 서로 다른 반복주파수가 반복주파수안정화장치에 의해 안정화되는 것을 특징으로 할 수 있다.
반복주파수안정화장치는, 팸토초 펄스레이저에서 발생되는 팸토초 광 펄스의 서로 다른 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
반복주파수안정화장치는, 팸토초 펄스레이저에서 발생되는 팸토초 광 펄스의 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
테라헤르츠 펄스파 발생기는, 광전도 안테나, 광정류를 이용하는 비선형결정 또는 표면을 이용하는 반도체인 것을 특징으로 할 수 있다.
테라헤르츠 빔스플리터는, 테라헤르츠 간섭계를 구성하여 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 샘플에 투과시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
테라헤르츠 검출기는, 샘플을 투과한 결합된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기인 것을 특징으로 할 수 있다.
강도 검출기는 볼로미터, 뉴매틱검출기(pyroelectric detector, golay cell) 또는 초전성 검출기(pyroelectric detector)인 것을 특징으로 할 수 있다.
트리거 신호는 반복주파수들의 차주파수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
트리거 신호는 광학적인 합주파수 발생방법 또는 전기적인 차주파수 발생방법으로 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터를 획득하는 데이터획득장치는 오실로스코프 또는 디지타이저인 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터의 전체 시간간격(또는 전체 시간지연 변화폭)은 반복주파수의 역수에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터는 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호 대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
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또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 분광기를 이용한 분광방법에 있어서, 2개의 팸토초 펄스레이저로 각각 서로 다른 반복 주파수를 가지면서 광 모드들의 집합인 팸토초 광 펄스를 발생시키는 단계; 각각의 팸토초 광 펄스를 이용하여 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 각각 서로 다른 반복 주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 단계; 각각의 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 빔스플리터를 이용하여 결합시켜 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성하는 단계; 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시키는 단계; 샘플에 투과된 결합된 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 검출기로 검출하는 단계; 차주파수를 갖는 트리거 신호를 생성하는 단계; 데이터획득장치가 테라헤르츠 검출기의 검출 신호와 트리거 신호를 전송받아 시간영역데이터를 얻는 단계; 및 분석 수단에 의해 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법으로 달성될 수 있다.
반복주파수안정화장치는, 팸토초 광 펄스들의 서로 다른 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키거나, 팸토초 광 펄스들의 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터는, 평균화에 의해 잡음을 줄여 원하는 신호 대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
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따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 분광방법으로 테라헤르츠 대역의 물질의 특성을 측정할 수 있다. 본 분광기는 서로 다른 반복주파수를 가지는 2개의 팸토초 광 펄스를 이용하므로 테라헤르츠 펄스파의 상대적인 시간지연이 빠르게 변화하여 시간영역데이터를 고속으로 획득한다.
또한, 반복주파수의 역수에 해당하는 전체 시간간격(또는 전체 시간지연 변화폭)에서 시간영역데이터를 얻을 수 있고, 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻음으로써 고분해능의 분석이 가능하게 된다. 따라서, 본 분광기는 반도체 공정상, 제품의 검사, 비파괴 검사, 보안검색, 생의학 진단 또는 상태변화의 실시간 모니터링 등 고속 및 고분해능이 필요한 각종 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다는 장점을 가진다.
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비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지 만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
(테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성)
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명인 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 우선, 도 1은 본 발명의 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각이 팸토초 광 펄스를 발생시키는 2개의 팸토초 펄스 레이저와 팸토초 광 펄스를 이용하여 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기를 구비하고 있다. 2개의 테라헤르츠 펄스파를 결합시키는 테라헤르츠 빔스플리터(400)와 샘플(450)을 투과한 결합된 테라헤르츠 펄스파를 검출하는 테라헤르츠 검출기(500)와 검출 신호와 트리거 신호에 의해 시간영역데이터를 얻는 데이터획득장치(600) 및 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 분석수단(700)을 포함하고 있다.
2개의 팸토초 펄스레이저는 팸토초 광 펄스를 발생시킨다. 그리고, 2개의 팸토초 펄스레이저는 에너지를 공급하는 펌프레이저(110)와 반복주파수를 안정화하는 반복주차수안정화장치(120)가 연결되어 있다.
또한, 팸토초 광 펄스는 반복주파수를 가진다. 따라서, 각각의 팸토초 펄스레이저에서 발생된 팸토초 광 펄스는 반복주파수를 가지는 광 모드들의 집합이다. 그리고, 2개의 팸토초 펄스레이저는 각각 서로 다른 반복 주파수를 가지는 팸토초광 펄스를 발생시킨다. 구체적 실시예로 제 1팸토초 펄스레이저(50)는 100MHz의 반복 주파수를 가지고, 제 2팸토초 펄스레이저(100)에서는 100MHz - 100Hz의 반복주파수를 가질 수 있다. 이 때에 각각의 반복주파수의 차이는 100HZ가 될 것이다.
반복주파수안정화장치(120)는 각각의 팸토초 펄스레이저에 의해 발생되는 각각의 팸토초 광 펄스의 반복주파수를 안정화한다.
이러한 반복주파수안정화장치(120)를 통하여 제 1팸토초 광 펄스(f1)와 제 2팸토초 광 펄스(f2)의 반복 주파수의 차이(fr1-fr2)를 안정화하거나 제 1팸토초 광 펄스와 제 2팸토초 광 펄스 각각의 반복주파수(fr1, fr2)를 안정화시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 팸토초 레이저에서 발생된 팸토초 광 펄스를 주파수영역에서 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 가로축은 주파수(광 주파수영역대)에 해당하고, 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 주파수영역에서 보면 반복주파수(fr1, fr2)가 안정화된 팸토초 광 펄스는 아래의 식과 같은 주파수를 갖는 광 모드들의 집합이다. 따라서 제 1팸토초 광 펄스는
f1 = n*fr1 + fo1 (n 은 정수) (1)-1
의 주파수를 갖는 모드들의 집합이다. 모드들 사이의 주파수간격은 제 1팸토초 광 펄스(f1)의 반복주파수(fr1)에 해당함을 알 수 있다. 또한, 제 2팸토초 광 펄스는
f2 = n*fr2+ fo2 (n 은 정수) (1)-2
의 주파수를 가지는 모드들의 집합이다. 모드들 사이의 주파수간격은 제 2팸토초 광 펄스의 반복주파수(fr2)에 해당함을 알 수 있다. 식 (1)-1 및 (1)-2에서, fr1 과 fr2는 반복주파수이고, 서로 약간 다른 값을 가진다. fo1 과 f02는 케리어 앤밸롭 오프셋 주파수(carrier-envelope offset frequency)에 해당한다. 따라서, 제 1팸토초 광 펄스는 fr1의 반복주파수를 가지는 광 모드들의 집합이며, 제 2팸토초 광 펄스(f2)는 fr2의 반복주파수를 가지는 광 모드들의 집합이 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 반복주파수가 안정화된 제 1 팸토초 광 펄스(f1) 중 제 1빔스플리터(160)에 의해 반사된 제 1 팸토초 광 펄스가 제 1 테라헤르츠 펄스파 발생기(200)에 입사되어 테라헤르츠 대역의 주파수를 가지는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)가 발생되게 된다. 또한, 제 2 팸토초 광 펄스(f2) 중 제 2빔스플리터(170)에 의해 반사된 팸토초 광 펄스가 제 2테라헤르츠 펄스파 발생기(300)에 입사하여 테라헤르츠 영역대의 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)가 발생되게 된다. 제 1테라헤르츠 펄스파 발생기(200) 및 제 2테라헤르츠 펄스파 발생기(300)에는 필요한 경우 전원공급장치(260)를 연결하여 전원을 인가할 수 있다.
테라헤르츠 펄스파는 연속파형이 아닌 펄스형태의 파로서 테라헤르츠 영역대 주파수를 가지게 된다. 이러한 테라헤르츠 펄스파 발생기는 광전도 안테나, 비선형결정 또는 반도체 등을 사용할 수 있다. 이러한 테라헤르츠 펄스파 발생기에서 발생한 테라헤르츠 펄스파는 주파수 영역에서 볼 때 주파수가 고정된 모드들의 집합인 테라헤르츠 주파수빗(terahertz frequency comb)이다.
도 2c 및 도 2d는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)를 주파수영역에 도시한 그래프이다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 가로축은 주파수축이고, 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 이러한 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)는
f1` = m*fr1 (m은 정수) (2)-1
의 주파수를 갖는 모드들의 집합이다. 모드들 사이의 주파수간격은 반복주파수인 fr1임을 알 수 있다. 또한, 제 2테라헤르츠 펄스파는
f2` = m*fr2 (m은 정수) (2)-2
의 주파수를 갖는 모드들의 집합이다. 모드들 사이의 주파수간격은 반복주파수인 fr2 임을 알 수 있다 여기서 fr1는 제 1테라헤르츠 펄스파의 반복주파수이고, fr2 는 제 2페라헤르츠 펄스파의 반복주파수이다. 이러한 반복주파수는 서로 다른 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 반복주파수(fr1 , fr2)는 식(2)-1 및 (2)-2에서 보는 바와 같이 팸토초 레이저 펄스파의 반복주파수와 동일한 값이다. 앞서 설명한 바와 같이 구체적인예로 fr1 = 100MHz , fr2 = 100MHz - 100Hz 를 들 수 있다.
이러한 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 결합하게 된다. 즉, 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 반사 또는 투과되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 반사된 제 1테라헤르츠 펄스파와 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 투과된 제 2테라헤르츠 펄스파가 결합하게 된다. 이러한 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 간섭계를 구성하여 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성하게 된다.
그리고, 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플(450)에 투과하게 된다. 샘플(450)에 투과된 결합된 테라헤르츠 펄스파는 테라헤르츠 검출기(500)에 의해 검출된다. 검출기(500)는 결합된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기(500)에 해당한다. 이러한 강도 검출기(500)로 볼로미터(bolometer), 뉴매틱 검출기(pneumatic detector,Golay cell) 또는 초전성 검출기(pyroelectric detector) 등을 사용하게 된다.
도 2e는 테라헤르츠 검출기(500)에서 검출되는 신호를 주파수영역에 도시한 그래프이다. 이러한 검출신호는 이하 식(3)의 주파수를 갖는다.
f`` = m*(fr1- fr2) = m*△fr (m 은 정수) (3)
따라서, 측정되는 주파수(f``)는 △fr의 반복주파수를 가지게 된다. 구체적인 예로 fr1 = 100MHz, fr2 = 100MHz - 100Hz 인 경우△fr = 100Hz가 될 것이다. 따라서, 측정되는 주파수(f``)는 테라헤르츠 대역이 아닌 라디로 주파수 대역에 해당한다. 측정된 주파수(f``)에 fr1/(△fr) 또는 fr2/(△fr)을 곱하면 실제의 테라헤르츠 대역의 주파수로 변환된다. 그리고, 테라헤르츠 검출기(500)에서 검출된 검출신호는 데이터획득장치(600)로 전송된다.
데이터획득장치(600)는 테라헤르츠 검출기(500)로 검출된 검출신호와 트리거 신호로부터 시간영역 데이터를 얻게 된다. 그리고, 시간영역데이터를 푸리에 변환을 하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 분석수단(700)을 구비하고 있다. 이러한 주파수의 분해능을 갖는 스펙트럼을 분석하여 샘플(450)에 대한 테라헤르츠 영역 대의 정보를 알아낼 수 있다. 트리거 신호는 펄스신호로서 반복주파수(fr1, fr2)들의 차주파수(△fr = fr1- fr2, 반복주파수의 차이)를 가지며 이러한 트리거 신호는 광학적인 합주파수 발생방법 또는 전기적인 차주파수 발생방법으로 형성하게 된다.
도 1에 도시된 본 발명의 일실시 예에서는 광학적인 합주파수 발생방법을 이용한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈에 의해 제 1팸토초 광 펄스(f1)와 제 2팸토초 광 펄스(f2)가 렌즈 초점부근에 구비된 비선형 광결정(130)에서 결합한다. 이때, 합주파수의 파장을 갖는 광 신호가 비선형 광결정(130)으로부터 발생된다. 광 신호는 광검출기(140)에 의해 전기 신호로 변환되고, 전기 신호는 펄스 형태로서 차주파수(△fr)의 반복주파수를 갖는다. 이러한 전기 신호가 트리거 신호로 사용되기 위해 데이터획득장치(600)로 전송된다.
도 3은 이러한 테라헤르츠 펄스파를 시간영역에 도시한 그래프, 서로 다른 반복주파수를 가져서 그 차이에 따라 시간이 지연된 것을 시간영역에 나타낸 그래프, 및 시간지연과 실시간의 관계를 도시한 것이다.
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도 3에 도시된 바와 같이, 맨 위쪽의 그래프는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)의 시간영역 그래프로 가로축은 시간축이고 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)의 주기는 1/fr1가 된다. 그리고, 중간에 도시된 그래프는 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)의 시간영역 그래프로 가로축은 시간축이고 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 여기서 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)의 주기는 1/fr2 가 되는데 fr2는 fr1 - △fr 에 해당한다. 따라서, 서로 다른 반복주파수를 가짐으로써, 그 반복주차수의 차이(△fr) 때문에 시간지연이 생기게 된다.
맨 아래쪽의 그래프를 보면, 시간영역데이터의 시간지연과 실시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 가로축은 실시간을 뜻하며, 세로축은 시간지연의 양을 나타낸다. 한주기당 시간지연은 τ = 1/fr2 - 1/fr1 로 표현되고, 이러한 시간지연의 최대값(전체 시간지연의 변화폭)은 반복주파수의 역수인 1/fr1가 된다. 그리고 시간지연은 1/△fr 의 주기로 계속 반복하게 됨을 알 수 있다. 시간지연과 실시간의 관계는 이하의 식 (4)으로 표현된다.
τ = (Δfr/fr1)*t (4)
구체적 실시예의 경우, fr1 > fr2 이므로 △fr = fr1 - fr2 이나, fr2 가 더 크다면 △fr = fr2 - fr1 이 될 것이고 도 3에서 한주기당 시간지연은 τ=1/fr1 - 1/fr2 , 최대값(전체 시간지연의 변화폭)은 반복주파수의 역수인 1/fr2, 시간지연과 실시간의 관계는 τ = (Δfr/fr2)*t 이 될 것이다.
이러한 시간영역에 대한 파형은 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호대 잡음비를 획득하게 된다.
데이터 획득장치(600)의 경우 오실로스코프 또는 디지타이저 등을 사용할 수 있다. 분석수단(700)은 이러한 시간지연에 대한 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는다. 이러한 분석수단(700)으로 테라헤르츠 대역에 대한 샘플(450)의 흡수율 등에 대한 정보를 고속으로 얻을 수 있게 된다.
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또한, 테라헤르츠 검출기(500)의 반응속도가 빠를수록 차주파수(△fr)를 증가시킬 수 있고, 차주파수를 크게 할수록 측정속도를 증가시킬 수 있다. 그리고, 테라헤르츠 검출기(500)의 잡음이 작을수록 신호대 잡음비를 얻기 위한 평균화에 필요한 측정시간을 줄일 수 있다. 또한, 테라헤르츠 펄스파의 강도가 클수록 신호대 잡음비를 얻기 위해 평균화하는데 필요한 측정시간이 짧아지게 된다.
(테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법)
이하는 첨부된 도면을 참조하여 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법을 설명하도록 한다. 우선, 도 4는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저 2개의 팸토초 펄스레이저에서 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초 광 펄스를 발생하게 된다(S100). 따라서, 제 1팸토초 펄스레이저(50)는 반복주파수(fr1)를 가지며 광 모드들의 집합인 제 1팸토초 광 펄스(f1)를 발생시키고, 제 2팸토초 펄스레이저(100)는 반복주파수(fr2)를 가지며 광 모드들의 집합인 제 1팸토초 광 펄스(f2)를 발생시킨다. 그리고, 팸토초 광 펄스의 반복주파수는 반복주파수안정화장치(120)에 의해 안정화된다. 반복주파수안정화장치(120)에 의해 반복주파수 차이를 안정화시키거나 각각의 반복주파수를 안정화시키게 된다. 따라서, 각각의 팸토초 펄스레이저(100)에 연결된 반복주파수안정화장치(120)에 의해 반복주파수가 안정화된 팸토초 광펄스를 발생시키게 된다.
반복주파수가 안정화된 팸토초 광 펄스를 이용하여 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)를 발생시키게 된다(S200). 앞서 설명한 바와 같이, 테라헤르츠 펄스파는 반복주파수(fr1, fr2)를 가진다. 그리고, 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 결합된다(S300). 테라헤르츠 간섭계를 구성하여 테라헤르츠 펄스파를 결합시키게 된다. 결합된 테라헤르츠 펄스파를 분석하고 싶은 샘플(450)에 투과하게 된다(S400).
샘플(450)을 투과한 결합된 테라헤르츠 펄스파는 테라헤르츠 검출기에 의해 측정, 검출된다(S500). 테라헤르츠 검출기(500)는 결합된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 1테라헤르츠의 반복주파수(fr1)와 제 2테라헤르츠의 반복주파수(fr2)의 차이가 측정된 신호(f``)의 반복주파수(△fr)가 된다. 따라서, 측정된 주파수(f``)는 반복주파수 △fr를 가지며 라디오 주파수 대역에 해당한다. 따라서, fr1/△fr 또는 fr2/△fr 를 곱하여 실제 테라헤르츠 대역의 주파수로 변환할 수 있다.
그리고, 차주파수를 갖는 트리거 신호를 생성하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 비선형 광결정(130)에 의해 반복주파수의 차이인 차주파수를 갖고 합주파수의 파장을 갖는 광신호를 형성한다. 그리고, 광검출기(140)에 의해 전기적 신호로 변환된 트리거 신호가 데이터획득장치(600)에 전송된다.
그리고, 데이터획득장치(600)는 테라헤르츠 검출기(500)에서 검출된 검출신호와 트리거 신호를 전송받아 시간영역데이터를 획득하게 된다(S600). 분석수단(700)는 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻게 된다(S700). 따라서, 샘플(450)에 대한 테라헤르츠 영역대의 정보를 알 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 해당하는 테라헤르츠 푸리에 변환 분광기의 구성도,
도 2a는 제 1팸토초 광 펄스를 주파수영역에 도시한 그래프,
도 2b는 제 2팸토초 광 펄스를 주파수영역에 도시한 그래프,
도 2c는 제 1테라헤르츠 펄스파를 주파수영역에 도시한 그래프,
도 2d는 제 2테라헤르츠 펄스파를 주파수영역에 도시한 그래프,
도 2e는 테라헤르츠 검출기에서 검출한 샘플을 통과한 결합된 테라헤르츠 펄스파를 주파수영역에 도시한 그래프,
도 3은 제 1테라헤르츠 펄스파, 제 2테라헤르츠 펄스파, 및 시간지연과 실시간의 관계를 시간영역에서 나타낸 그래프,
삭제
도 4는 테라헤르츠 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50:제 1팸토초 펄스레이저
100:제 2팸토초 펄스레이저
110:펌프레이저
120:반복주파수안정화장치
130:비선형 광결정
131:빔가리개
140:광검출기
삭제
160:제 1빔스플리터
170:제 2빔스플리터
200:제 1테라헤르츠 펄스파 발생기
250:비축 포물면 거울
260:전원공급장치
300:제 2테라헤르츠 펄스파 발생기
400:테라헤르츠 빔스플리터
450:샘플
500:테라헤르츠 검출기
600:데이터획득장치
700:분석수단
f1:제 1팸토초 광 펄스
f2:제 2팸토초 광 펄스
fr1:제 1팸토초 광 펄스의 반복주파수(제 1테라헤르츠 펄스파의 반복주파수)
fr2:제 2팸토초 광 펄스의 반복주파수(제 2테라헤르츠 펄스파의 반복주파수)
f1`:제 1테라헤르츠 펄스파
f2`:제 2테라헤르츠 펄스파
f``:결합된 테라헤르츠 펄스파의 테라헤르츠 검출기에 의한 검출신호
△fr:서로 다른 반복주파수의 차이 (fr1-fr2)
삭제
τ:시간지연

Claims (21)

  1. 테라헤르츠파 분광기에 있어서,
    반복주파수를 가지면서 광 모드들의 집합인 팸토초 광 펄스를 각각 발생시키는 2개의 팸토초 펄스레이저;
    각각의 상기 팸토초 펄스레이저로부터 발생된 각각의 상기 팸토초 광 펄스를 이용하여 상기 반복주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기;
    각각의 상기 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터;
    상기 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 상기 샘플을 투과한 상기 결합된 테라헤르츠 펄스파를 검출하여 검출신호를 출력하는 테라헤르츠 검출기;
    상기 테라헤르츠 검출기에서 검출한 상기 검출신호와 트리거 신호를 받아 시간영역데이터를 획득하는 데이터획득장치; 및
    상기 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 분석수단;을 포함하고,
    상기 팸토초 펄스레이저에 연결된 반복주파수안정화장치를 더 포함하여,
    상기 반복주파수안정화장치에 의해 각각의 상기 팸토초 펄스레이저에서 발생되는 각각의 상기 팸토초 광 펄스의 서로 다른 상기 반복주파수가 안정화되고, 각각의 상기 팸토초 광 펄스의 서로 다른 상기 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키고,
    상기 테라헤르츠 빔스플리터는,
    테라헤르츠 간섭계를 구성하여 상기 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 상기 샘플에 투과시키고,
    상기 시간영역데이터는, 상기 반복주파수의 차이에 의해 시간지연에 대한 정보를 구비하고, 상기 시간지연의 전체 변화폭은 상기 반복주파수의 역수에 해당하고,
    상기 시간영역데이터는 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 팸토초 광 펄스는 각각 서로 다른 상기 반복주파수를 가지고,
    상기 테라헤르츠 펄스파도 각각 서로 다른 상기 반복주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 펄스파 발생기는,
    광전도 안테나, 광정류를 이용하는 비선형결정 또는 표면을 이용하는 반도체인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 빔스플리터는,
    테라헤르츠 간섭계를 구성하여 상기 테라헤르츠 펄스파를 결합시켜 상기 샘플에 투과시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 검출기는,
    상기 샘플을 투과한 상기 결합된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 강도 검출기는 볼로미터, 뉴매틱검출기 또는 초전성 검출기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 트리거 신호는,
    상기 반복주파수들의 차주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 트리거 신호는,
    광학적인 합주파수 또는 전기적인 차주파수 발생으로 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터획득장치는 오실로스코프 또는 디지타이저인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  14. 삭제
  15. 제 1항의 분광기를 이용한 분광방법에 있어서,
    2개의 팸토초 펄스레이저가 각각 서로 다른 반복 주파수를 가지면서 광 모드들의 집합인 팸토초 광 펄스를 발생시키는 단계;
    각각의 상기 팸토초 광 펄스를 이용하여 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 각각 서로 다른 상기 반복 주파수를 가지면서 테라헤르츠 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 단계;
    각각의 상기 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 빔스플리터를 이용하여 결합시켜 결합된 테라헤르츠 펄스파를 형성하는 단계;
    상기 결합된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시키는 단계;
    상기 샘플에 투과된 상기 결합된 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 검출기로 검출하여 검출신호를 출력하는 단계;
    차주파수를 갖는 트리거 신호를 생성하는 단계;
    데이터획득장치가 상기 테라헤르츠 검출기의 상기 검출신호와 상기 트리거 신호를 전송받아 시간영역데이터를 얻는 단계; 및
    분석 수단에 의해 상기 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 상기 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 갖는 스펙트럼을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 팸토초 광 펄스 발생 단계에서,
    반복주파수안정화장치에 의해 상기 반복주파수가 안정화된 팸토초 광펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 반복주파수안정화장치는,
    상기 팸토초 광 펄스의 서로 다른 상기 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키거나, 상기 팸토초 광 펄스의 서로 다른 상기 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 시간영역데이터를 얻는 단계에서,
    상기 시간영역데이터는,
    상기 반복주파수의 차이에 의해 시간지연에 대한 정보를 구비하고,
    상기 시간지연의 전체 변화폭은 상기 반복주파수의 역수에 해당하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 시간영역데이터는,
    평균화에 의해 잡음을 줄여 신호대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 데이터획득장치는 오실로스코프 또는 디지타이저이고,
    상기 트리거 신호는,
    상기 반복주파수들의 차주파수를 가지고, 그리고
    광학적인 합주파수 발생방법 또는 전기적인 차주파수 발생방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  21. 삭제
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