KR101211017B1 - 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

높은 출력을 얻을 수 있고 주파수를 가변시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치가 개시된다. 테라헤르츠파 발생 장치는 진공 챔버와, 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와, 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔 생성하고 생성된 레이저 빔을 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부 및 진공 챔버에 설치되고 조사된 레이저 빔을 가스에 집속시키는 빔 집속수단을 포함하되, 진공 챔버 내의 가스에 집속된 레이저 빔은 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마의 진동에 의해 테라헤르츠파가 생성된다. 따라서, 고출력 및 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.

Description

레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING TERAHERTZ WAVE USING LASER PLASMAS}
본 발명은 테라헤르츠파 발생 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력 및 가변 주파수의 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치에 관한 것이다.
테라헤르츠파(terahertz wave)는 전자기 스펙트럼상에서 전자파의 마이크로 웨이브와 광파인 원적외선의 중간 대역에 위치하는 신호로서 마이크로웨이브와 광파의 특성을 동시에 가진다.
테라헤르츠파는 그 특성상 분광학이나 고밀도의 물질 투과 이미지를 얻는데 매우 중요하게 사용될 수 있으나 그 주파수 대역의 전자파를 발생시키는 문제와, 측정 기술의 구현상의 어려움으로 인하여 발전이 더딘 상태였다.
하지만, 최근 수백 펨토(femto)초의 펄스폭을 가진 레이저와 수 피코(pico)초 미만의 캐리어 라이프 타임(carrier life time)을 가진 광전도 물질의 조합으로 테라헤르츠파의 발생과 측정이 가능하게 되었고, 이로 인해 테라헤르츠파 특성을 응용하는 다양한 기술이 개발되고 있다.
테라헤르츠파는 마이크로 웨이브와 광파가 투과하지 못하는 물질을 투과할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문에 이러한 특성을 이용하여 다양한 장치로 개발되고 있다.
이러한 테라헤르츠파의 특성을 이용하여 개발된 장치는 여러 가지 물질에 대한 분광학, 반도체 진단 시스템 또는 비파괴적이고 비접촉적인 방법으로 물질을 검사하는 용도로 주로 사용된다.
한편, 테라헤르츠파를 생성하기 위하여 종래에는 고강도의 레이저 빔을 고체의 매질에 조사하여 강한 테라헤르츠 전자기파를 발생 시키는 방법을 사용하였다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 발생 방법을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 레이저 빔을 고체 매질(10)에 집광시켜 테라헤라르츠파를 발생시키는 방법을 사용하였다. 예를 들어, 종래에는 GaAs 반도체 기판에 소정 간격으로 이격된 도체 패턴을 형성하고 형성된 도체 패턴에 전압을 인가한 상태에서 레이저 빔을 상기 도체 패턴이 형성된 반도체 기판에 조사하여 테라헤르츠파를 발생시키는 방법을 사용하였다.
그러나, 테레헤르츠파를 발생시키기 위해 사용하는 고체 매질(10)은 그 파괴한계(Damage threshold)로 인해 신호원인 레이저 빔의 강도를 고체 매질의 파괴한계 이내에서 제한적으로 사용(예를 들면, 500 μJ/pulse 이내)할 수밖에 없고, 이로 인해 높은 출력의 테라헤르츠파를 발생시킬 수 없는 단점이 있다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같은 방법을 통해 발생시킨 테라헤르츠파는 주파수를 가변시킬 수 없고 출력이 작기 때문에 다양한 분야에서 활용될 수 없는 단점이 있다.
상술한 단점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 높은 출력을 얻을 수 있고, 주파수를 가변시킬 수 있는 테라헤르츠파 발생 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 높은 출력을 얻을 수 있고, 주파수를 가변시킬 수 있는 테라헤르츠파 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 테라헤르츠파 발생 방법은, 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계와, 상기 레이저 빔의 집속에 상응하여 플라즈마를 생성하는 단계 및 상기 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파가 발생되는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는, 상기 진공 챔버 내의 가스 압력을 공간적으로 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 레이저 빔의 집속에 상응하여 플라즈마를 생성하는 단계는, 상기 진공 챔버 내의 가스 압력이 공간적으로 변화됨에 상응하여 밀도 분포기울기를 가지는 플라즈마를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파가 발생되는 단계는, 상기 플라즈마의 밀도 분포 기울기의 크기에 상응하는 주파수 스펙트럼 폭을 가지는 테라헤르츠파가 발생될 수 있다. 여기서, 상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는, 상기 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기를 가지는 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 집속시킬 수 있다. 여기서, 상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는, 500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 테라헤르츠파 발생 장치는, 진공 챔버와, 상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와, 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔 생성하고, 생성된 상기 레이저 빔을 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부 및 상기 진공 챔버에 설치되고 조사된 상기 레이저 빔을 가스에 집속시키는 빔 집속수단을 포함하되, 상기 진공 챔버 내의 가스에 집속된 레이저 빔은 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마의 진동에 의해 테라헤르츠파가 생성된다. 여기서, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는 동일한 방향으로 진행하는 상기 레이저 빔과 상기 테라헤르츠파 중 테라헤르츠파는 투과시키고, 상기 레이저 빔은 특정 방향으로 반사시키는 분할 광학부 및 상기 분할 광학부를 통해 반사된 레이저 빔을 수광하는 빔 덤프를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 레이저 발생부는 상기 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기를 가지는 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 조사할 수 있다. 여기서, 상기 레이저 발생부는 500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 조사할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 테라헤르츠파 발생 장치는, 진공 챔버와, 상기 진공 챔버에 가스를 공급하고, 상기 진공 챔버 내의 가스 압력을 공간적으로 변화시키는 가스 압력 조절부와, 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔 생성하고, 생성된 상기 레이저 빔을 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부 및 상기 진공 챔버에 설치되고 조사된 상기 레이저 빔을 가스에 집속시키는 빔 집속수단을 포함하되, 상기 진공 챔버 내의 공간적으로 압력이 다른 가스에 집속된 레이저 빔은 밀도 분포 기울기를 가지는 플라즈마를 생성하고, 상기 밀도 분포 기울기를 가지는 플라즈마의 진동에 의해 상기 밀도 분포에 상응하는 주파수 스펙트럼을 가지는 테라헤르츠파가 생성된다.
상술한 바와 같은 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법 및 장치에 따르면, 파괴 한계가 없는 플라즈마를 테라헤르츠파 발생을 위한 매질로 사용함으로써 고출력의 테라헤르츠파를 생성하고, 테라헤르츠파의 주파수는 플라즈마의 밀도에 의존하는 특성을 이용하여 진공 챔버 내의 가스 압력을 공간적으로 변화시켜 플라즈마 밀도의 공간적 기울기를 조성함으로써 테라헤르츠파의 주파수 스펙트럼을 변화시킨다.
따라서, 고출력 및 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 생성할 수 있고, 파괴 한계가 없는 플라즈마를 이용하여 테라헤르츠파를 생성하기 때문에 레이저 빔의 강도를 조절하여 테라헤르츠파의 출력을 조절할 수 있다. 또한, 가스의 압력 조절을 통해 테라헤르츠파의 주파수 스펙트럼을 가변시킬 수 있기 때문에 분광학이나 테라헤르츠파 영상 기술등과 같이 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 테라헤르츠파 발생 방법을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마 발생 과정에서 사용되는 플라즈마 내부의 플라즈마 파동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에서는 고강도 레이저 빔을 진공 챔버 내에 특정 압력으로 유지되고 있는 가스에 집속시켜 플라즈마(20)를 생성하고, 레이저 플라즈마 상호작용에 의해 야기된 플라즈마 파동에 의해 테라헤르츠파를 발생시킨다. 여기서, 테라헤르츠파는 레이저 빔의 진행방향과 동일한 방향 및 레이저 빔의 진행방향과 반대의 방향으로 동시에 진행하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에서 사용되는 가스는 종류에 상관없이 다양한 가스가 사용될 수 있다. 다만, 수소(H2) 또는 헬륨(He) 등과 같은 이온화 에너지가 낮은 가스를 사용하는 경우에는 고강도의 레이저 빔에 의해 100%에 가까운 이온화율을 보이기 때문에 수학식 1에 나타낸 기체방정식을 통해 가스 압력(P)만으로 플라즈마 밀도를 예측하기 용이하다.
Figure 112011013149431-pat00001
수학식 1에서, k는 볼츠만 상수, T는 온도, n은 밀도를 의미한다. 실질적으로 테라헤르츠파를 발생시키기 위해서는 4 Pa 내지 4 kPa 영역의 기체 압력(P)이 적절하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에 이용되는 신호원인 레이저 빔의 에너지는 가스를 이온화시키고, 강력한 플라즈마 파동을 야기시키기 위해 최소 500 μJ/pulse 이상이 사용되는 것이 바람직하다.
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에서는 레이저-플라즈마 상호작용에 의한 플라즈마 진동 이론에 기초하여 고출력 및 가변 주파수의 테라헤르츠파를 발생시킨다.
본 발명에서 테라헤르츠파를 발생에 사용되는 플라즈마는 종래의 테라헤르츠파 발생에 사용된 고체 매질과 달리 파괴 한계를 가지지 않기 때문에 신호원으로 사용하는 레이저 빔의 세기에 제약이 없고, 이에 따라 종래의 방법으로 생성되는 테라헤르츠파 보다 높은 출력의 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마 발생 과정에서 사용되는 플라즈마 내부의 플라즈마 파동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3에서는, 고강도의 레이저 빔이 가스를 이온화시켜 플라즈마를 만들고, 플라즈마 내부를 진행하면서 발생시키는 플라즈마 항적파동(plasma wake wave)을 나타내고 있다. 레이저 빔이 플라즈마 내부로 진행하면서 폰더모티브력(pondermotive force)과 쿨롱력(Coulomb force)에 의해 전자의 진동인 플라즈마 파동이 야기된다. 여기서, 폰더모티브력은 로렌츠 힘(Lorentz force)의 대표적인 예로서 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 빔의 전기장이 균일하지 않을 때 전하를 띤 입자가 받은 힘을 의미한다.
상기한 바와 같은 플라즈마 파동에서, 레이저 빔의 펄스폭이 플라즈마 항적파동의 반 진동 주기 내기 한 진동 주기와 같을 경우, 플라즈마 항적장(Wakefield)의 세기는 레이저 빔의 세기(a0=p/mc, 즉 규격화된 운동량)의 제곱에 비례하고, 플라즈마 밀도(n)에 대해서는 거듭제곱근으로 비례한다.
플라즈마 항적장의 세기(Eplasma)는 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112011013149431-pat00002
수학식 2에서 me는 전자의 질량, e는 전자의 전하량, c는 빛의 속도를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에서는 상술한 바와 같은 내용에 기초하여 고출력의 테라헤르츠파를 생성하기 위해 레이저 빔의 펄스폭을 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기와 매칭시킨다.
또한, 플라즈마 파동의 진동에 의해 발생되는 테라헤르츠파의 전기장은 수학식 1에 밀도(n)을 곱하여 산출할 수 있다. 이와 같은 경우 테라헤르츠파는 플라즈마 주파수로 진동하며, 오직 플라즈마 밀도에 의존하게 된다. 플라즈마 주파수(
Figure 112011013149431-pat00003
)는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112011013149431-pat00004
수학식 3에서
Figure 112011013149431-pat00005
는 진공에서의 유전율을 의미한다. 수학식 3에서 플라즈마 밀도(n)가 약 1015 내지 1018 cm-3이면, 플라즈마 주파수가 테라헤르츠 영역의 주파수(예를 들면, f=0.1 내지 10 THz)를 가지게 되므로, 발생된 전자기파는 테라헤르츠파가 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 장치(400)는 레이저 발생부(410), 진공 챔버(420), 가스 조절부(430), 진공 펌프(440), 분할 광학부(450) 및 빔 덤프(460)를 포함할 수 있다.
레이저 발생부(410)는 고강도의 레이저 빔을 진공 챔버(420) 내에 설치된 빔 집속수단(421)에 조사한다. 여기서 레이저 발생부(410)는 500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 조사할 수 있고, 레이저 빔의 지름은 광학계에 손상을 입히지 않도록 적절하게 조정될 수 있다. 또한, 레이저 빔의 펄스폭은 플라즈마 항적파동의 반 주기 내기 한 주기와 같도록 제어된다.
진공 챔버(420)는 가스 조절부(430)를 통해 소정 가스가 유입되고, 가스 조절부(430) 및 진공 펌프(440)를 통해 가스가 일정한 압력으로 유지된다. 여기서, 상기 소정 가스는 이온화율이 높은 수소(H2) 또는 헬륨(He) 등이 될 수 있다.
또한, 진공 챔버(420)에는 레이저 발생부(410)로부터 발생된 레이저 빔을 가스에 집속하기 위한 빔 집속수단(421)이 설치된다. 여기서, 빔 집속수단(421)은 레이저 빔이 반사되는 표면이 포물선의 형태를 가지는 포물 거울로 구성될 수 있고, 레이저 발생부(410)로부터 조사된 레이저 빔을 진공 챔버(420)내의 가스에 집속한다.
가스 조절부(430)는 진공 챔버(420)에 연결되어 소정 가스가 유입되는 가스관(431) 및 가스관(431)에 설치되어 상기 소정 가스의 유입을 제어하는 가스 밸브(433)로 구성된다. 여기서, 상기 가스 밸브(433)는 관리자가 개폐를 수동으로 제어하도록 구성될 수도 있고, 솔레노이드 밸브 등으로 구성되어 별도의 제어 신호에 따라 개폐가 이루어지도록 구성될 수도 있다.
진공 펌프(440)는 진공 챔버(420)에 연결되어 진공 챔버(420)의 압력을 조절하는 기능을 수행한다.
분할 광학부(450)는 같은 방향으로 진행하고 있는 테라헤르츠파와 레이저 빔 중 테라헤르츠파는 투과시키고 레이저 빔은 빔 덤프(460)로 반사시킨다.
빔 덤프(460)는 분할 광학부(450)를 통해 반사된 레이저 빔을 수광한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 과정을 설명한다.
먼저, 가스 조절부(430) 및 진공 펌프(440)를 통해 가스의 압력이 일정하게 유지되고 있는 진공 챔버(420)의 내부에 설치된 빔 집속수단(421)에 레이저 발생부(410)로부터 발생된 고강도의 레이저 빔이 조사되면, 조사된 레이저 빔은 빔 집속수단(421)에 의해 진공 챔버(420) 내의 소정 위치에 집속된다. 이에 따라 진공 챔버(420)내에 존재하는 가스는 이온화되어 플라즈마(20)가 생성되고, 생성된 플라즈마(20)의 파동에 의해 고출력의 테라헤르츠파가 발생된다. 이때, 발생된 테라헤르츠파 및 레이저 빔은 동일한 방향으로 진행하게 되고, 동일한 방향으로 진행하는 테라헤르츠파 및 레이저 빔 중 테라헤르츠파는 분할 광학부(450)를 투과하여 진행하고, 레이저 빔은 분할 광학부(450)에 반사되어 빔 덤프(460)로 향하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 방법을 설명하기 위한 그래프로서, 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파 발생 방법을 설명하기 위한 이론적 근거를 나타낸다.
테라헤르츠파 발생 매질인 플라즈마는 가스의 압력에 의해 밀도가 결정된다. 플라즈마에서 발생된 테라헤르츠파의 주파수는 플라즈마의 밀도에 의존하기 때문에 본 발명의 다른 실시예에서는 가스의 압력을 조절하여 플라즈마의 밀도를 변화시킴으로써 테라헤르츠파의 주파수를 변화시킨다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 가스의 압력에 따라 플라즈마 밀도가 결정되는 특징을 이용하여 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 진공 챔버에 존재하는 가스의 압력을 공간적으로 변화시켜 플라즈마 밀도 분포의 기울기를 조성하고, 공간적으로 밀도분포 기울기를 가지는 플라즈마 파동이 다양한 주파수 성분을 가지는 플라즈마 파동을 야기시켜 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킨다.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 플라즈마 밀도 분포의 공간적 기울기가 크면 플라즈마 파동에 의해 발생되는 테라헤르츠파의 주파수는 넓은 주파수 영역의 스펙트럼을 가지고, 플라즈마 밀도 분포의 공간적 기울기가 작은 경우에는 좁은 주파수 영역의 스펙트럼을 가진 테라헤르츠파가 발생된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생 장치의 구성을 나타내는 블록도로서, 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파 발생 장치의 구성을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 장치(600)는 레이저 발생부(610), 진공 챔버(620), 가스압력 조절부(630), 진공 펌프(640), 분할 광학부(650) 및 빔 덤프(660)를 포함할 수 있다.
레이저 발생부(610)는 고강도의 레이저 빔을 진공 챔버(620) 내에 설치된 빔 집속수단(621)에 조사한다. 여기서 레이저 발생부(610)는 500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 조사할 수 있고, 레이저 빔의 지름은 광학계에 손상을 입히지 않도록 적절하게 조정될 수 있다. 또한, 레이저 빔의 펄스폭은 플라즈마 항적파동의 반 주기 내기 한 주기와 같도록 제어된다.
진공 챔버(620)는 가스압력 조절부(630)를 통해 가스가 유입되고, 집속된 레이저 빔에 의해 이온화되어 플라즈마가 생성되는 공간으로, 레이저 발생부(610)로부터 발생된 레이저 빔을 가스에 집속하기 위한 빔 집속수단(621)이 설치된다. 여기서, 빔 집속수단(621)은 레이저 빔이 반사되는 표면이 포물선의 형태를 가지는 포물 거울로 구성될 수 있다. 상기 가스는 이온화율이 높은 수소(H2) 또는 헬륨(He) 등이 될 수 있다.
가스압력 조절부는(630)는 진공 챔버(620)에 가스를 공급하고, 진공 챔버(620) 내의 가스 압력이 공간적으로 다르도록 조절한다. 이를 위해 가스압력 조절부(630)는 가스가 유입되는 가스관(631), 가스관(631)에 설치되어 상기 가스의 유입을 제어하는 가스 밸브(633) 및 가스관(631)의 일측과 진공 챔버(620) 사이에 설치되어 가스를 진공 챔버(620)내부로 분출하는 가스젯(635)으로 구성될 수 있다. 여기서, 가스젯(635)은 복수의 분출구가 형성되어 각 분출구가 서로 다른 압력으로 가스를 분출하도록 구성됨으로써 진공 챔버(620)내의 가스 압력이 공간적으로 서로 다르게 조성되도록 한다.
진공 펌프(640)는 진공 챔버(620)에 연결되어 진공 챔버(620)의 전체 또는 초기 가스 압력을 조절하는 기능을 수행한다.
분할 광학부(650)는 레이저 빔을 통해 플라즈마가 생성되고 플라즈마의 진동으로 테라헤르츠파가 생성된 경우, 같은 방향으로 진행하고 있는 테라헤르츠파와 레이저 빔 중 테라헤르츠파는 투과시키고 레이저 빔은 빔 덤프(660)로 반사시킨다.
빔 덤프(660)는 분할 광학부(650)를 통해 반사된 레이저 빔을 수광한다.
이하, 도 6를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 주파수를 가지는 테라헤르츠파 발생 과정을 설명한다.
먼저, 가스압력 조절부(630)를 통해 진공 챔버(620) 내부에서 공간적으로 서로 다른 가스 압력을 가지도록 압력이 조절된 후, 레이저 발생부(610)로부터 발생된 고강도의 레이저 빔이 빔 집속수단(621)에 조사되면, 레이저 빔은 빔 집속수단(621)에 의해 반사되어 진공 챔버(620) 내의 소정 위치에 집속되고, 상기 진공 챔버(620)내의 소정 위치에 존재하는 공간적으로 서로 다른 압력을 가지는 가스는 이온화되어 플라즈마(20)를 생성한다. 여기서, 생성된 플라즈마(20)는 가스의 공간적인 압력 차이에 상응하여 공간적으로 밀도가 서로 다르게 되고(즉, 밀도 기울기가 형성), 이에 따라 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 주파수 스펙트럼이 넓게 분포된 테라헤르츠파가 발생된다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파 발생 방법에서는, 가스압력 조절부(630)를 통해 진공 챔버(620)내의 가스 압력을 공간적으로 변화시켜 레이저 빔이 진행하는 방향으로 밀도가 감소하는 기울기를 가지는 플라즈마 밀도 분포를 조성함으로써 테라헤르츠파의 주파수 스펙트럼을 가변시킨다. 즉, 진공 챔버(620)내의 가스의 압력을 공간적으로 서로 다르게 조절하여 플라즈마 밀도 분포의 기울기를 조절하고, 이에 따라 테라헤르츠파의 주파수 스펙트럼을 조절한다. 여기서, 테라헤르츠파의 주파수 스펙트럼의 폭은 플라즈마 밀도의 기울기의 크기에 따라 달라지게 된다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
410, 610 : 레이저 발생부 420, 620 : 진공 챔버
421, 621 : 빔 집속수단 430 : 가스 조절부
431, 631 : 가스관 433, 633 : 가스 밸브
440, 640 : 진공 펌프 450, 650 : 분할 광학부
460, 660 : 빔 덤프 635 : 가스젯

Claims (14)

  1. 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계;
    상기 레이저 빔의 집속에 상응하여 플라즈마를 생성하는 단계; 및
    상기 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파가 발생되는 단계를 포함하되,
    상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는,
    상기 진공 챔버 내의 가스 압력을 공간적으로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔의 집속에 상응하여 플라즈마를 생성하는 단계는,
    상기 진공 챔버 내의 가스 압력이 공간적으로 변화됨에 상응하여 밀도 분포기울기를 가지는 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파가 발생되는 단계는,
    상기 플라즈마의 밀도 분포 기울기의 크기에 상응하는 주파수 스펙트럼 폭을 가지는 테라헤르츠파가 발생되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는,
    상기 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기를 가지는 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 집속시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버 내의 가스에 소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 단계는,
    500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 집속시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 방법.
  7. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부;
    소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 생성하고, 생성된 상기 레이저 빔을 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부; 및
    상기 진공 챔버에 설치되고 조사된 상기 레이저 빔을 가스에 집속시키는 빔 집속수단을 포함하되,
    상기 진공 챔버 내의 가스에 집속된 레이저 빔은 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마의 진동에 의해 테라헤르츠파가 생성되며,
    동일한 방향으로 진행하는 상기 레이저 빔과 상기 테라헤르츠파 중 테라헤르츠파는 투과시키고, 상기 레이저 빔은 특정 방향으로 반사시키는 분할 광학부; 및
    상기 분할 광학부를 통해 반사된 레이저 빔을 수광하는 빔 덤프를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 레이저 발생부는
    상기 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기를 가지는 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 레이저 발생부는
    500 μJ/pulse 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  11. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에 가스를 공급하고, 상기 진공 챔버 내의 가스 압력을 공간적으로 변화시키는 가스 압력 조절부;
    소정 크기 이상의 에너지를 가지는 레이저 빔 생성하고, 생성된 상기 레이저 빔을 상기 진공 챔버에 조사하는 레이저 발생부; 및
    상기 진공 챔버에 설치되고 조사된 상기 레이저 빔을 가스에 집속시키는 빔 집속수단을 포함하되,
    상기 진공 챔버 내의 공간적으로 압력이 다른 가스에 집속된 레이저 빔은 밀도 분포 기울기를 가지는 플라즈마를 생성하고, 상기 밀도 분포 기울기를 가지는 플라즈마의 진동에 의해 상기 밀도 분포에 상응하는 주파수 스펙트럼을 가지는 테라헤르츠파가 생성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 주파수 스펙트럼의 폭은
    상기 플라즈마의 밀도 분포 기울기는 상기 레이저 빔이 진행하는 방향으로 밀도가 감소하는 기울기를 가지는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는
    동일한 방향으로 진행하는 상기 레이저 빔과 상기 테라헤르츠파 중 테라헤르츠파는 투과시키고, 상기 레이저 빔은 특정 방향으로 반사시키는 분할 광학부; 및
    상기 분할 광학부를 통해 반사된 레이저 빔을 수광하는 빔 덤프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 레이저 발생부는
    상기 플라즈마 진동의 반주기 내지 한주기를 가지는 펄스폭을 가지는 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 발생 장치.
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