KR101316548B1

KR101316548B1 - Time-domain Spectroscope for High-speed and Sensitivity Measure Based on Light-bias Double Frequency Modulation

Info

Publication number: KR101316548B1
Application number: KR1020110132121A
Authority: KR
Inventors: 한성태; 박재구; 손병희; 안영환; 홍정택
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-10-18
Also published as: KR20130065311A

Abstract

본 발명은 광-바이어스 이중변조 및 주파수 합성법에 기초하여 저가의 빠른 스캔이 가능한 광지연 장치를 이용하면서도 전기적 신호로 인해 발생하는 잡음과 광으로 인해 발생하는 잡음 등을 동시에 효과적으로 제거하여 S/N 비를 비약적으로 증대시킬 수 있는, 고속 고감도 측정이 가능한 시간 영역 분광기에 관한 것이다. The present invention uses an optical delay device capable of fast scanning at low cost based on the optical-bias double modulation and frequency synthesis method, while effectively removing the noise generated by the electrical signal and the noise generated by the light at the same time, thereby effectively reducing the S / N ratio. The present invention relates to a time-domain spectrometer capable of high speed and high sensitivity measurement, which can greatly increase the number of times.

Description

Time-domain Spectroscope for High-speed and Sensitivity Measure Based on Light-bias Double Frequency Modulation}

본 발명은 시간 영역 분광기(Time-domain Spectroscope)에 관한 것으로서, 광-바이어스 이중변조 및 주파수 합성법에 기초하여 저가의 빠른 스캔이 가능한 광지연 장치를 이용하면서도 전기적 신호로 인해 발생하는 잡음과 광으로 인해 발생하는 잡음 등을 동시에 효과적으로 제거하여 S/N 비를 비약적으로 증대시킬 수 있는, 고속 고감도 측정이 가능한 시간 영역 분광기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a time-domain spectroscope, which is based on an optical-biased dual modulation and frequency synthesis method. The present invention relates to a time-domain spectrometer capable of high-speed, high-sensitivity measurement that can effectively remove noise generated at the same time, thereby dramatically increasing the S / N ratio.

일반적으로 시간 영역 분광기(Time-domain Spectroscope)의 경우 한 광원의 광경로 길이를 조절하여 두 개의 광원이 검출기에 도착하는 시간차를 연속적으로 조절하면서 측정된 신호를 그 시간차에 대한 함수로서 기록하고 분석하는 방법을 사용한다. 측정의 신뢰도를 높이기 위해 요구되는 신호대 잡음비를 확보하기 위해서는 신호의 누적회수를 증대시켜야 하므로 측정에 많은 시간이 소요되고 있다. In general, a time-domain spectroscope adjusts the optical path length of one light source to record and analyze the measured signal as a function of the time difference by continuously adjusting the time difference between two light sources arriving at the detector. Use the method. In order to secure the signal-to-noise ratio required to increase the reliability of the measurement, the cumulative frequency of the signal must be increased.

기존의 시간 영역 THz 분광기는 측정에 필요한 이동 거리와 모터의 구동 속도를 고려하면 대략 1 scan/sec 이상의 속도로도 측정을 할 수 있지만 충분한 신뢰도를 갖는 신호 대 잡음비를 얻기 위해서는 오랜 스캔 시간이 소요되는 문제가 있다.Conventional time-domain THz spectrometers can measure at speeds of approximately 1 scan / sec or more, considering the travel distance required for the measurement and the driving speed of the motor, but it takes a long scan time to obtain a signal-to-noise ratio with sufficient reliability. there is a problem.

또한, 광경로 길이를 조절하는 광지연 스테이지의 구동속도가 스펙트럼 측정시간을 좌우하게 되는데, 일반적으로 고속 스캐닝에 많이 사용되는 Shaker의 경우는 천 만원 이상의 고가에 판매되고 있다. In addition, the driving speed of the optical delay stage that adjusts the optical path length determines the spectral measurement time. In general, the shaker used for high-speed scanning is sold at a high price of 10 million won or more.

따라서, 이러한 문제를 해결하여 고속 고감도 측정이 가능한 저가의 시간 영역 분광기가 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for a low-cost time-domain spectrometer capable of solving these problems and enabling high-speed, high-sensitivity measurements.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 광-바이어스 이중변조 및 주파수 합성법에 기초하여 저가의 빠른 스캔이 가능한 광지연 장치를 이용하면서도 전기적 신호로 인해 발생하는 잡음과 광으로 인해 발생하는 잡음 등을 동시에 효과적으로 제거하여 S/N 비를 비약적으로 증대시킬 수 있는, 고속 고감도 측정이 가능한 시간 영역 분광기를 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide noise generated by an electrical signal while using an optical delay device capable of fast and low-cost scanning based on optical-bias double modulation and frequency synthesis. The present invention provides a time-domain spectrometer capable of high-speed, high-sensitivity measurement that can effectively remove noise generated by excessive light and simultaneously increase the S / N ratio.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 시간 영역 분광기의 측정 방법은, 레이저를 빔스플리터로 분광한 제1광과 제2광을 생성하여, 상기 제1광을 제1광학계를 이용해 ZnTe 결정 등(THz파를 검출하기 위한 모든 광학적 부품이나 수단)으로 입사하고, 상기 제2광은 제1주파수로 광변조하고, 광변조된 광을 광지연기에 의해 지연하며, 지연된 광을 제2주파수의 전기적 신호로 바이어스된 THz파 발생 소자에 입사하여 THz파를 생성한 후, 제2광학계를 통해 측정 대상 시료를 통과하는 상기 THz파를 상기 THz파를 검출하기 위한 수단으로 입사해, 상기 광지연기에서의 광지연값의 조절에 따라 상기 THz파를 검출하기 위한 수단에서 상기 THz파와 상기 제1광의 상호 작용으로 출사되는 THz파의 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.First, to summarize the features of the present invention, according to one aspect of the present invention, a method for measuring a time domain spectrometer generates a first light and a second light obtained by spectroscopy of a laser beam splitter, the first light is first Incident on a ZnTe crystal or the like (all optical components or means for detecting THz waves) using an optical system, the second light is optically modulated at a first frequency, and the optically modulated light is delayed by an optical delay, Is incident on the THz wave generating element biased with the electrical signal of the second frequency to generate the THz wave, and then enters the THz wave passing through the sample to be measured through the second optical system as a means for detecting the THz wave. And measuring the change in the THz wave emitted by the interaction of the THz wave and the first light in the means for detecting the THz wave according to the adjustment of the optical delay value in the optical delay unit.

상기 제1주파수 및 상기 제2주파수는 50~200 kHz 범위에 속하며, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수는 서로 다른 것을 특징으로 한다.The first frequency and the second frequency is in the range of 50 ~ 200 kHz, characterized in that the first frequency and the second frequency is different.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 시간 영역 분광기는, 레이저를 분광하여 제1광과 제2광을 생성하는 빔스플리터; THz파 검출 수단; 상기 제1광을 상기 THz파 검출 수단으로 입사하기 위한 제1광학계; 상기 제2광을 제1주파수로 광변조하는 변조기; 광변조된 상기 광을 지연하는 광지연기; 제2주파수의 전기적 신호로 바이어스되며, 지연된 상기 광의 입사에 대해 해당 THz파를 생성하는 THz파 발생 소자; 측정 대상 시료를 장착하기 위한 공간을 구비하고, 상기 시료를 통과하는 상기 THz파를 상기 THz파 검출 수단으로 입사하기 위한 제2광학계; 및 상기 THz파 검출 수단에서 출사되는 THz파의 변화를 측정하기 위한 측정장치를 포함하고, 상기 광지연기에서의 광지연값의 조절에 따른 상기 THz파 검출 수단에서 출사되는 THz파의 변화를 측정하기 위한 것을 특징으로 한다.In addition, according to another aspect of the present invention, a time domain spectrometer may include: a beam splitter configured to generate a first light and a second light by spectroscopy of a laser; THz wave detection means; A first optical system for injecting the first light into the THz wave detecting means; A modulator for optically modulating the second light at a first frequency; An optical delay delaying the light modulated light; A THz wave generating element biased with an electrical signal of a second frequency and generating a corresponding THz wave for the delayed incidence of the light; A second optical system having a space for mounting a sample to be measured, for injecting the THz wave passing through the sample into the THz wave detecting means; And a measuring device for measuring the change of the THz wave emitted from the THz wave detecting means, and measuring the change of the THz wave emitted from the THz wave detecting means according to the adjustment of the optical delay value in the optical delay unit. It is characterized by.

상기 제1주파수로 광변조되고, 상기 제2주파수로 바이어스 변조된 상기 THz파를 이용하여, 광으로 인해 발생하는 잡음과 전기로 인해 발생하는 잡음에 강하고 S/N 비를 증가시키기 위한 것을 특징으로 한다.The THz wave, which is optically modulated at the first frequency and bias-modulated at the second frequency, is used to increase the S / N ratio and to resist noise generated by light and noise generated by electricity. do.

초음파 피에조를 이용한 모터를 이용해 상기 광지연기의 광학계를 조절할 수 있다.The optical system of the optical delay unit may be adjusted using a motor using an ultrasonic piezo.

상기 측정장치는, ZnTe 결정을 이용해 상기 THz파 검출 수단에서 출사되는 광을 편광하고 사분파장판을 이용해 다시 편광하며, 상기 ZnTe 결정과 상기 사분파장판을 통과한 광을 소정 프리즘을 이용해 분리하여 광검출기를 이용해 전기적 신호를 출력할 수 있다.The measuring device polarizes the light emitted from the THz wave detection means using a ZnTe crystal and polarizes again using a quarter wave plate, and separates the light passing through the ZnTe crystal and the quarter wave plate by using a predetermined prism. A detector can be used to output an electrical signal.

상기 시간 영역 분광기는, 상기 제1주파수와 상기 제2주파수의 전기적 신호를 합성하는 주파수 합성기; 상기 주파수 합성기의 합성 신호를 필터링하여 상기 제1주파수와 상기 제2주파수의 차이에 해당하는 주파수의 기준 신호를 추출하는 로우 패스 필터; 및 상기 광지연기에서의 광지연값의 조절 시간에 따라, 상기 기준 신호를 기초로 상기 측정장치가 측정하여 검출한 전기적 신호를 증폭해 상기 시료의 광학적 특성 분석용 전기적 신호를 출력하는 락-인 앰프를 더 포함할 수 있다.The time domain spectrometer comprises: a frequency synthesizer for synthesizing an electrical signal of the first frequency and the second frequency; A low pass filter for filtering the synthesized signal of the frequency synthesizer to extract a reference signal having a frequency corresponding to a difference between the first frequency and the second frequency; And a lock-in amplifier configured to amplify an electrical signal measured and measured by the measuring device based on the reference signal and output an electrical signal for optical characteristic analysis of the sample according to the adjustment time of the optical delay value in the optical delay unit. It may further include.

본 발명에 따른 시간 영역 분광기에 따르면, 저렴한 가격의 초음파 피에조 선형 모터를 사용한 광지연 장치를 채용하여 지연 속도를 1000mm/s까지 향상시킴으로써 THz 스펙트럼 측정시간을 약 100분의 1초 내외의 짧은 시간까지 단축시킬 수 있다. According to the time-domain spectrometer according to the present invention, by adopting an optical delay device using an ultrasonic piezoelectric linear motor at a low cost, the delay time is improved to 1000 mm / s, and the THz spectrum measurement time is shortened to about a hundredth of a second. It can be shortened.

또한, 광변조와 안테나 바이어스 변조를 동시에 가하는 주파수 합성법(double frequency mixing)을 통해 S/N비를 증대시킬 수 있다.In addition, the S / N ratio can be increased through double frequency mixing that simultaneously applies optical modulation and antenna bias modulation.

이를 통하여, 저가의 광지연 장치를 이용하면서도 전기로 인해 발생하는 잡음과 광으로 인해 발생하는 잡음을 동시에 효과적으로 제어하고 S/N 비를 비약적으로 증대시킬 수 있다. Through this, it is possible to effectively control the noise generated by the electricity and the noise generated by the light at the same time while using a low-cost optical delay device, and significantly increase the S / N ratio.

또한, 저가의 부품들로 구성된 고속 고감도 측정이 가능한 TDS 시스템을 구현할 수 있으므로 다양한 분야에서 활용이 가능하며, 특히, 고속/정밀 분석이 요구되는 생산라인 상에서 식품이물이나 위해물질의 THz 지문에 대한 분광분석 시스템 등을 구성하기 위한 중요한 요소기술을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to implement a TDS system capable of high-speed, high-sensitivity measurement composed of low-cost parts, which can be used in various fields, and especially for the THz fingerprint of food foreign substances or harmful substances on the production line requiring high speed / precision analysis. It is possible to provide an important element technology for constructing a spectroscopic analysis system.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 분광기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 분광기에서의 측정 신호 출력을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a time-domain spectrometer according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the output of the measurement signal in the time-domain spectrometer according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 분광기(100)를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a time-domain spectrometer 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 분광기(100)는, 빔스플리터(beam splitter)(110), 제1광학계(120), 변조기(130), 광지연기(140), THz파 발생 소자(150), 제2광학계(160), THz파 검출 수단(170), 및 측정장치(180)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the time-domain spectrometer 100 according to an embodiment of the present invention may include a beam splitter 110, a first optical system 120, a modulator 130, an optical delay unit 140, THz wave generating element 150, the second optical system 160, THz wave detection means 170, and the measuring device 180.

빔스플리터(110)는 레이저 발생장치로부터 입사되는 레이저를 분광하여 제1경로로 향하는 제1광과 제2경로로 향하는 제2광을 생성한다. The beam splitter 110 spectroscopy a laser incident from the laser generator to generate first light directed to the first path and second light directed to the second path.

제1광학계(120)는 제1광을 소정 경로로 반사하는 복수의 미러와 집광을 위한 렌즈 등을 포함하며, 빔스플리터(110)에서 출사되는 제1광을 소정 경로로 반사하고 집광하여 THz파를 검출하기 위한 수단(ZnTe 결정, 펠리클(pellicle) 등 THz파를 검출하기 위한 모든 광학적 부품이나 수단 가능)(170)로 입사한다. 제1광학계(120)는 미세한 광 지연을 위하여 광지연기(121)를 포함할 수 있으며, 광지연기(121)는 도 1과 같이 직각 미러를, 초음파 피에조를 이용한 선형 모터 등을 통해 좌우로 움직여 광경로 거리를 바꿈으로써 광을 지연시키는 형태일 수 있다. 도 1과 같이 예시된 제1광학계(120)의 위와 같은 복수의 미러와 렌즈 등의 구성은 가변적이며, 제1광이 THz파를 검출하기 위한 수단(170)로 입사되도록 하기 위한 광학적 모든 수단들을 포함할 수 있다. The first optical system 120 includes a plurality of mirrors for reflecting the first light in a predetermined path and a lens for condensing, and reflects and condenses the first light emitted from the beam splitter 110 in a predetermined path to THz wave. Is incident on the means 170 for detecting THz waves, such as ZnTe crystals, pellicles, and the like. The first optical system 120 may include an optical delay unit 121 for a fine optical delay, and the optical delay unit 121 may be moved to the left and right through a linear motor using an ultrasonic piezo as shown in FIG. It may be in the form of delaying the light by changing the distance. The configuration of the plurality of mirrors and lenses as described above of the first optical system 120 illustrated in FIG. 1 is variable, and all optical means for causing the first light to be incident on the means 170 for detecting THz waves. It may include.

변조기(130)는 회절 수단 등 광변조를 위한 수단을 이용해 빔스플리터(110)에서 출사되는 제2광을 제1주파수(f1)로 광변조(세기, 주파수, 위상 등의 변조)한다. 변조기(130)에 의한 광의 변조는 AOM(acousto-optic modulator)이나 PEM(photoelastic modulator) 등의 광변조 수단을 이용하여 50 kHz~ 200 kHz 범위내에서 변조를 시킬 수 있다.The modulator 130 modulates the second light emitted from the beam splitter 110 to the first frequency f1 by means of light modulation such as diffraction means (modulation of intensity, frequency, phase, etc.). Modulation of light by the modulator 130 may be modulated within a range of 50 kHz to 200 kHz using optical modulation means such as acoustic-optic modulator (AOM) or photoelastic modulator (PEM).

광지연기(140)는 변조기(130)에서 광변조된 광을 지연시킨다. 광지연기(140)는 직각미러(141)를 초음파 피에조를 이용한 선형 모터 등을 통해 좌우로 움직여 광경로 거리를 바꿈으로써 광을 지연시키는 형태일 수 있고, 직각미러(141)에서 나오는 광은 미러(142)를 통해 반사되어 THz파 발생 소자(150)로 출사될 수 있다. The photo delay unit 140 delays the light modulated by the modulator 130. The optical delay unit 140 may be in the form of delaying the light by changing the optical path distance by moving the right angle mirror 141 to the left and right through a linear motor using an ultrasonic piezo, etc., the light from the right angle mirror 141 is a mirror ( The light may be reflected through the 142 and emitted to the THz wave generator 150.

THz파 발생 소자(150)는 전기적 신호를 인가하기 위한 전극 패턴들과 광전도 안테나를 위한 금속 패턴 등을 구비하며, 제2주파수(f2)의 전기적 신호가 바이어스된 후, 광지연기(140)에 의해 지연된 광이 입사되면 이를 흡수하여 해당 THz파를 생성할 수 있다. THz파 발생 소자(150)에서의 인가되는 바이어스 전압에 의한 변조는 역시 50~200 kHz 범위에서 이루어질 수 있으며, 고속 측정이 가능하도록, 위와 같은 두 주파수(f1, f2)를 적절히 조합하여 |f1-f2|가 10 kHz 정도(예, 1~150kHz 가능) 되도록 하는 것이 바람직하다. The THz wave generating element 150 includes electrode patterns for applying an electrical signal, a metal pattern for a photoconductive antenna, and the like, and after the electrical signal of the second frequency f2 is biased, to the optical delay unit 140. When the delayed light is incident, the light may be absorbed to generate the THz wave. Modulation by the bias voltage applied from the THz wave generating element 150 may also be performed in the range of 50 to 200 kHz, and the two frequencies f1 and f2 may be appropriately combined to achieve high-speed measurement. It is desirable to allow f2 | to be around 10 kHz (eg 1 to 150 kHz).

이와 같이 광지연기(140)에 의한 f1 변조와 THz파 발생 소자(150)에서의 f2 변조에 의해, 두 주파수의 전기적 신호가 일치하는 시간에 THz파가 발생할 수 있기 때문에 두 주파수 차이에 해당하는 |f1-f2|의 주파수로 THz파가 발진하고 이하와 같이 검출될 수 있게 된다. Thus, due to the f1 modulation by the optical delay unit 140 and the f2 modulation on the THz wave generating element 150, the THz wave may be generated at a time when the electrical signals of the two frequencies coincide with each other. A THz wave oscillates at a frequency of f1-f2 | and can be detected as follows.

제2광학계(160)는 측정 대상 시료를 장착하기 위한 공간을 구비하고, 복수의 파라볼릭(parabolic) 미러, 집광을 위한 렌즈들을 구비하며, THz파 발생 소자(150)에서 발생된 THz파가 반사되고 집광되어 시료를 통과하면 이를 집광하고 반사시켜 THz파를 검출하기 위한 수단(170)으로 입사되도록 한다. 도 1과 같이 예시된 제2광학계(160)의 위와 같은 복수의 미러와 렌즈 등의 구성은 가변적이며, THz파가 THz파를 검출하기 위한 수단(170)로 입사되도록 하기 위한 광학적 모든 수단들을 포함할 수 있다. The second optical system 160 has a space for mounting the sample to be measured, includes a plurality of parabolic mirrors and lenses for condensing, and reflects the THz waves generated by the THz wave generating element 150. When the light is collected and passed through the sample, the light is collected and reflected to be incident to the means 170 for detecting the THz wave. The configuration of the plurality of mirrors and lenses as described above of the second optical system 160 illustrated in FIG. 1 is variable and includes all optical means for causing the THz wave to be incident on the means 170 for detecting the THz wave. can do.

이에 따라 THz파 검출 수단(170)에서 제2광학계(160)에 의한 THz파가 통과한 광과 제1광학계(120)을 통해서 입사된 후 반사된 광이 혼합되어 상호 작용으로 THz파 검출 수단(170)에서 나오는 광에 대하여, 측정장치(180)는 THz파가 제1광학계(120)에 의한 광에 의한 변화를 측정한다. 이를 위하여, 측정장치(180)는 ZnTe 결정(181)을 이용해 THz파 검출 수단(170)에서 출사되는 위와 같이 혼합된 광을 편광(예, 직선 편광)하고, λ/4 플레이트 또는 사분 파장판(182)을 이용해 다시 편광(예, 원형, 또는 타원 편광)하며, ZnTe 결정(181)과 사분 파장판(182)을 통과한 광을 소정 프리즘(183)(예, Walloston prism)을 이용해 분리하여 광검출기(184)(예, 포토다이오드)를 이용해 전기적 신호를 출력할 수 있다.Accordingly, the THz wave detection means 170 is mixed with the light passed through the THz wave by the second optical system 160 and the incident light reflected through the first optical system 120 to interact with the THz wave detection means ( With respect to the light emitted from 170, the measuring device 180 measures the change caused by the THz wave by the light of the first optical system 120. To this end, the measuring device 180 polarizes (eg, linearly polarizes) the mixed light emitted from the THz wave detection means 170 using the ZnTe crystal 181, and performs a λ / 4 plate or a quarter wave plate ( 182 is again polarized (eg, circular or elliptical), and the light passing through the ZnTe crystal 181 and the quarter wave plate 182 is separated by a predetermined prism 183 (eg, Walloston prism). The detector 184 (eg, photodiode) may be used to output an electrical signal.

본 발명에서는, 광지연기(140)에서의 광지연값의 조절에 따라 THz파 검출 수단(170)에서 출사되는 시료를 통과한 THz파의 변화를 측정할 수 있게 되며, 이를 위해 도 2와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 시간 영역 분광기(100)는, 주파수 합성기(210), 로우패스필터(LPF, Low Pass Filter)(220), 및 락-인 앰프(Lock-in Amplifier)(230)를 포함할 수 있다. In the present invention, it is possible to measure the change in the THz wave passing through the sample emitted from the THz wave detection means 170 in accordance with the adjustment of the optical delay value in the optical delay unit 140, for this purpose, as shown in FIG. The time-domain spectrometer 100 according to an embodiment of the present invention includes a frequency synthesizer 210, a low pass filter (LPF) 220, and a lock-in amplifier 230. It may include.

주파수 합성기(210)는 변조기(130)에서 사용된 제1주파수(f1)의 전기적 신호와 THz파 발생 소자(150)에 사용된 제2주파수(f2)의 전기적 신호를 합성하여 합성 신호들, 즉, |f1+f2|, |f1-f2|의 주파수를 갖는 신호들을 생성한다.The frequency synthesizer 210 synthesizes the electrical signals of the first frequency f1 used in the modulator 130 and the electrical signals of the second frequency f2 used in the THz wave generating element 150 to synthesize synthesized signals. generate signals with frequencies | f1 + f2 |, | f1-f2 |.

로우패스필터(220)는 위와 같은 주파수 합성기(210)의 합성 신호들을 필터링하여 제1주파수(f1)와 제2주파수(f2)의 차이에 해당하는 주파수(|f1-f2|)의 기준 신호를 추출한다. 이에 따라 락-인 앰프(230)는 광지연기(140)에서 조절된 광지연 시간에 따라, 로우패스필터(220)로부터의 기준 신호를 기초로 측정장치(180)의 검출기(184)가 측정하여 검출한 전기적 신호를 증폭해 시료의 광학적 특성 분석용 전기적 신호를 |f1-f2| 주파수로 출력하게 된다. 이와 같이 일정 시간마다 생성되는 락-인 앰프(230)의 출력은 컴퓨터 등을 통해 분석되어 시료의 광학적 특성에 대한 그래프 등을 생성할 수 있게 된다. The low pass filter 220 filters the synthesized signals of the frequency synthesizer 210 as described above to obtain a reference signal of a frequency | f1-f2 | corresponding to the difference between the first frequency f1 and the second frequency f2. Extract. Accordingly, the lock-in amplifier 230 is measured by the detector 184 of the measuring device 180 based on the reference signal from the low pass filter 220 according to the optical delay time adjusted by the optical delay unit 140. By amplifying the detected electrical signal, the electrical signal for optical characterization of the sample is | f1-f2 | Output at frequency. As such, the output of the lock-in amplifier 230 generated every predetermined time may be analyzed through a computer to generate a graph of the optical characteristics of the sample.

본 발명에서는 이와 같이 제1주파수(f1)로 광변조되고 제2주파수(f2)로 바이어스 변조된 THz파를 이용하여, 광으로 인해 발생하는 잡음을 줄일 수 있고, 전기로 인해 발생하는 잡음에도 강하게 함으로써 S/N 비를 증가시키도록 하였다. In the present invention, by using the THz wave optically modulated at the first frequency f1 and bias-modulated at the second frequency f2, the noise generated by the light can be reduced, and the noise generated by the electricity is strongly Thereby increasing the S / N ratio.

본 발명에서는 위와 같이 저렴한 가격의 초음파 피에조 선형 모터를 사용하여 광지연기(140)의 미러(141)를 이동시킴으로써 광지연이 가능하도록하여 지연 속도를 1000mm/s까지 향상시킬 수 있으며, 락-인 앰프(230)의 출력에 의한 THz 스펙트럼 측정시간을 약 100분의 1초 내외의 짧은 시간으로 단축시킬 수 있다. 또한, 변조기(130)에 의한 광변조와 THz파 발생 소자(150)에서의 안테나 바이어스 변조를 동시에 가하는 주파수 합성법(double frequency mixing)을 통해 S/N비를 증대시킬 수 있고 측정 속도를 더욱 증대시킬 수 있다. 이를 통하여, 저가의 광지연기(140)를 이용하면서도 전기로 인해 발생하는 잡음과 광으로 인해 발생하는 잡음을 동시에 효과적으로 제어하고 S/N 비를 비약적으로 증대시킬 수 있다. 또한, 저가의 부품들로 구성된 고속 고감도 측정이 가능한 TDS(Time-domain Spectroscopy) 시스템을 구현할 수 있으므로 다양한 분야에서 활용이 가능하며, 특히, 고속/정밀 분석이 요구되는 생산라인 상에서 식품이물이나 위해물질의 THz 지문에 대한 분광분석 시스템 등을 구성하기 위한 중요한 요소기술을 제공할 수 있다. In the present invention, by using the low-cost ultrasonic piezoelectric linear motor as described above, by moving the mirror 141 of the optical delay unit 140 to enable optical delay, the delay speed can be improved up to 1000 mm / s, and the lock-in amplifier The THz spectrum measurement time by the output of 230 can be shortened to a short time of about one hundredth of a second. In addition, the S / N ratio can be increased and the measurement speed can be further increased through double frequency mixing, which simultaneously applies optical modulation by the modulator 130 and antenna bias modulation in the THz wave generating element 150. Can be. Through this, it is possible to effectively control the noise generated by the electricity and the noise generated by the light at the same time while using the low-cost optical delay unit 140, and significantly increase the S / N ratio. In addition, it is possible to implement a time-domain spectroscopy (TDS) system capable of high-speed, high-sensitivity measurement composed of low-cost parts, which can be used in various fields. It can provide an important element technology for constructing a spectroscopic analysis system for the THz fingerprint of a material.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

분광기(100)
빔스플리터(beam splitter)(110)
제1광학계(120)
변조기(130)
광지연기(140)
THz파 발생 소자(150)
제2광학계(160)
THz파 검출 수단(170)
측정장치(180)
주파수 합성기(210)
로우패스필터(LPF, Low Pass Filter)(220)
락-인 앰프(Lock-in Amplifier)(230)Spectrometer (100)
Beam splitter (110)
First Optical System (120)
Modulator (130)
Photo Delay (140)
THz wave generator (150)
Second Optical System (160)
THz wave detection means 170
Measuring device (180)
Frequency synthesizer (210)
Low Pass Filter (LPF) (220)
Lock-in Amplifier (230)

Claims

Generating a first light and a second light obtained by spectroscopy of the laser beam splitter,
The first light is incident on a THz wave detection means using a first optical system,
The second light is optically modulated at the first frequency, the light modulated light is delayed by the optical delay, and the delayed light is incident on the THz wave generating element biased with the electrical signal of the second frequency to generate the THz wave. The THz wave passing through the sample to be measured through a second optical system is incident to the THz wave detecting means,
Method for measuring a time domain spectrometer characterized in that for measuring the THz wave emitted from the THz detection means according to the adjustment of the optical delay value in the optical delay by adjusting the distance between the right angle mirror and the other mirror provided in the optical delay .

The method of claim 1,
The first frequency and the second frequency is in the range of 50 ~ 200 kHz, the first frequency and the second frequency measurement method of the time domain spectrometer, characterized in that different.

A beam splitter for spectroscopy the laser to produce first and second light beams;
THz wave detection means;
A first optical system for injecting the first light into the THz wave detecting means;
A modulator for optically modulating the second light at a first frequency;
An optical delay delaying the light modulated light;
A THz wave generating element biased with an electrical signal of a second frequency and generating a corresponding THz wave for the delayed incidence of the light;
A second optical system having a space for mounting a sample to be measured, for injecting the THz wave passing through the sample into the THz wave detecting means; And
A measuring device for measuring a change in the THz wave emitted from the THz wave detecting means,
And a THz wave emitted from the THz wave detection means according to the adjustment of the optical delay value in the optical delay unit by adjusting the distance between the right angle mirror and the other mirror provided in the optical delay unit.

The method of claim 3,
The difference between the first frequency and the second frequency is a time domain spectrometer, characterized in that 1 ~ 150kHz.

The method of claim 3,
A time domain spectrometer, characterized in that for controlling the distance of the right angle mirror with the other mirror using a motor using an ultrasonic piezo.

The method of claim 3,
The measuring device,
Polarize the light emitted from the THz wave detection means using a ZnTe crystal and polarize again using a quarter wave plate, and separate the light passing through the ZnTe crystal and the quarter wave plate with a predetermined prism and use an optical detector to detect an electrical signal. Time domain spectrometer, characterized in that for outputting.

The method of claim 3,
A frequency synthesizer for synthesizing an electrical signal of the first frequency and the second frequency;
A low pass filter for filtering the synthesized signal of the frequency synthesizer to extract a reference signal having a frequency corresponding to a difference between the first frequency and the second frequency; And
A lock-in amplifier for amplifying an electrical signal measured and measured by the measuring device based on the reference signal and outputting an electrical signal for optical characteristic analysis of the sample according to the adjustment time of the optical delay value in the optical delay unit.
Time domain spectrometer, characterized in that it further comprises.