KR101613883B1 - 광파의 진폭 및 위상 분석 장치 - Google Patents

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KR101613883B1 KR1020150171666A KR20150171666A KR101613883B1 KR 101613883 B1 KR101613883 B1 KR 101613883B1 KR 1020150171666 A KR1020150171666 A KR 1020150171666A KR 20150171666 A KR20150171666 A KR 20150171666A KR 101613883 B1 KR101613883 B1 KR 101613883B1
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김경택
남창희
박승범
조우식
김경승
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기초과학연구원
광주과학기술원
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only

Abstract

본 발명은 광파의 진폭 및 위상 분석 장치를 공개한다. 이 장치는 광파를 인가받아 기본 펄스 및 측정 대상 신호 펄스로 분리하는 빔 스플리터; 상기 분리된 신호 펄스를 인가받아 빔의 전기장 세기를 상기 기본 펄스보다 소정의 양만큼 약하게 조절하는 조리개; 상기 기본 펄스 또는 신호 펄스를 인가받아 양 펄스 사이의 상대적인 시간 지연을 조절하는 평행이동 스테이지; 상기 상대적인 시간 지연이 조절된 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 결합시키는 빔 결합 장치; 상기 결합되는 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 상기 이온화 물질로 집속하여 이온화시켜 전자 및 이온을 생성하는 렌즈; 상기 생성된 이온의 양을 측정하여 상기 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출하는 이온화량 측정 장치; 및 상기 산출된 이온화 변화량을 이용하여 상기 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산하는 신호 펄스 분석 장치;를 포함하고, 상기 이온화 물질은 진공 혹은 대기 중 가스, 가스젯 장치가 분출한 가스, 금속 물질 및 나노 구조물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광파의 진폭 및 위상 분석 장치{An amplitude and phase analysis device of the light wave}
본 발명은 광파의 진폭 및 위상 분석 장치에 관한 것으로서, 특히 기본 펄스 및 신호 펄스를 이온화 물질로 집속하여 이온화시켜 전자 및 이온을 생성하고 두 펄스 간 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출함으로써 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산하여, 적용되는 광파의 시간에 따라 변화하는 정확한 펄스 모양을 제공할 수 있는 광파의 진폭 및 위상 분석 장치에 관한 것이다.
일반적으로 펄스 형태를 가지는 광파의 시간 모양 측정은 여러 응용분야에서 필수적인 요소이다.
광파가 시간에 따라 변화하는 모양을 측정하기 위해서는 광파의 진폭과 위상을 시간 영역에서 측정하거나, 주파수 영역에서 측정해야만 한다.
펄스 형태의 광파를 측정하기 위해 가장 널리 사용되는 방법은 비선형 물질에서 생성되는 조화파를 이용하는 것이다.
그 중에서도 자기상관(Autocorrelation) 관계를 이용하는 방식이 널리 사용된다.
자기상관 방법에서는 광학 간섭계 등을 이용하여 나누어진 두 개의 펄스를 비선형 물질 안에서 다시 합쳐 조화파를 생성한다.
두 펄스가 시간 영역에서 겹쳐질 때 조화파의 세기가 증가하기 때문에, 두 펄스 간의 시간지연에 따라 조화파의 세기를 측정함으로써 대략적인 펄스폭을 알 수 있다.
그러나, 자기상관 관계를 이용하는 방식은 광파의 펄스폭에 대한 대략적인 정보만을 제공할 뿐, 광파가 시간 영역에서 어떤 모양을 가지는지 알 수가 없다. 광파가 시간 영역에서 어떤 모양을 가지는지 정확히 알기 위해서는 광파가 가지는 스펙트럼의 진폭과 위상을 측정해야 한다.
이를 위하여 주파수 광분해(Frequency Resolved Optical Gating, FROG) 방법과 주파수 간섭 전기장 복원(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction, SPIDER) 방법이 널리 사용된다.
주파수 광분해 방법과 주파수 간섭 전기장 복원 방법은 자기상관 방법과 유사하게 빔을 두 개로 나눈 후 상대적인 시간지연을 조절한다.
또한, 분리된 두 빔을 비선형 물질에서 다시 합치면서 생성되는 조화파의 스펙트럼을 두 빔 간의 시간지연에 따라 측정한다.
각각의 방법에서 펄스 복원 알고리즘을 사용하여 펄스가 가지는 진폭과 위상의 측정이 가능하다.
그런데, 앞서 기술한 방법들은 광파의 시간 모양 측정을 위해 비선형 물질에서 생성되는 조화파를 측정하므로, 비선형 물질의 위상 정합 조건이 맞는 특정한 파장에서만 작동한다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 물질의 이온화를 이용해 펄스를 측정하는 방법이 제시되기도 하였다.
그러나, 종래의 이온화를 이용한 펄스 측정 방법은 유사한 두 펄스를 이용해 비선형적으로 변하는 이온화 총량을 측정하기 때문에, 레이저 펄스 모양에 대한 대략적인 정보만을 제공할 뿐, 진폭과 위상에 대한 정보를 제공하지 않으므로 정확한 펄스 모양을 제공하지 못하는 비선형 결정을 이용하는 자기상관방법과 동일한 한계가 있다.
따라서, 종래의 이온화를 이용한 펄스 측정 방법의 문제점 및 한계를 보완하여 펄스의 진폭 및 위상 정보 제공이 가능하여 정확한 펄스 모양을 제공할 수 있고, 파장 범위가 제한적이지 않은 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 필요성이 절실하였다.
(특허문헌 1) US 5530544 A
본 발명의 목적은 기본 펄스 및 신호 펄스 두 개의 빔을 이용하여 시간 지연에 따라 이온화 물질로 집속하여 이온화시킨 후, 기본 펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분 함수와 신호 펄스의 상호상관(cross-correlation) 함수 형태로 주어지는 이온화 변화량을 두 펄스간의 시간지연에 따라 산출하여 신호 펄스의 진폭과 위상을 측정할 수 있는 광파의 진폭 및 위상 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광파의 진폭 및 위상 분석 장치는 광파를 인가받아 기본 펄스 및 신호 펄스로 분리하는 빔 스플리터; 상기 분리된 신호 펄스를 인가받아 상기 분리된 신호펄스의 전기장 세기를 상기 기본 펄스보다 소정의 양만큼 약하게 조절하는 조리개; 상기 기본 펄스를 인가받아 상기 전기장 세기가 조절된 신호 펄스와의 시간 지연을 조절하는 평행이동 스테이지; 상기 시간 지연이 조절된 기본 펄스를 인가받아 상기 세기가 조절된 신호 펄스와 결합시키는 빔 결합 장치; 상기 결합되는 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 상기 이온화 물질로 집속하는 렌즈; 상기 집속된 기본 펄스와 상기 신호 펄스로 상기 이온화 물질을 이온화시켜 전자 및 이온을 생성하고, 상기 생성된 이온의 양을 측정하여 상기 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출하는 이온화량 측정 장치; 및 상기 산출된 이온화 변화량을 이용하여 상기 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산하는 신호 펄스 분석 장치;를 포함하고, 상기 이온화 물질은 진공 혹은 대기 중 가스, 가스젯 장치가 분출한 가스, 금속 물질 및 나노 구조물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 의할 경우, 종래의 자기 상관 방법과 달리 펄스의 진폭 및 위상 정보 제공이 가능하여 정확한 펄스 모양을 제공할 수 있고, 종래의 비선형 결정을 사용하여 광파의 모양을 측정하는 방법들이 가지는 파장 범위에 대한 제약이 없이 광파의 시간에 따라 변화하는 모양을 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 다양한 실시예들의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작 중 단계(S160)에서 생성된 이온의 양을 측정하는 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7 내지 도 10은 도 5에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작 중 단계(S150)에서 전자 및 이온을 생성하는 다양한 실시예들의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈", "장치", "단계" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 블록도로서, 빔 스플리터(110), 조리개(120), 평행이동 스테이지(130), 빔 결합 장치(140), 렌즈(150), 이온화량 측정 장치(160) 및 신호 펄스 분석 장치(170)를 구비한다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 다양한 실시예들의 구성도로서, 빔 스플리터(110), 조리개(120), 평행이동 스테이지(130), 빔 결합 장치(140), 렌즈(150), 이온화량 측정 장치(160) 및 신호 펄스 분석 장치(170)를 구비한다.
도 5는 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작 중 단계(S160)에서 생성된 이온의 양을 측정하는 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7 내지 도 10은 도 5에 도시된 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 동작 중 단계(S150)에서 전자 및 이온을 생성하는 다양한 실시예들의 구성도로서, 전극(161), 전류 측정부(162), 이온화량 측정부(163), 진공 또는 대기 중 가스 (181), 가스젯 장치(182), 날카로운 금속 물질(183) 및 나노 구조물(184)을 포함한다.
도 1 내지 도4 또는 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 각 구성요소의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.
빔 스플리터(110)는 펄스를 인가받아 기본 펄스 및 측정 대상 신호 펄스로 분리한다.
여기에서, 빔 스플리터(110)는 빔을 분리하는 장치로서, 광학 코팅이 되어 입사되는 빔의 일부를 반사 및 투과시켜 나눌 수도 있고, 도 2와 같이 구멍 뚫린 거울을 사용하여 빔을 공간적으로 나눌 수도 있다.
조리개(120)는 분리된 신호 펄스를 인가받아 신호펄스의 전기장 세기가 기본 펄스보다 소정의 양만큼 약하게 조절한다. 여기에서, 조리개(120)는 도 2와 같이 신호 펄스의 크기를 조절해 이온화 물질에서 전기장 세기를 조절할 수도 있고, 빔 스플리터 혹은 광학 필터 등의 장치로 신호 펄스의 일부 만을 투과 혹은 반사시켜 세기를 조절 할 수도 있다.
평행이동 스테이지(130)는 기본 펄스를 인가받아 세기가 조절된 신호 펄스와의 시간 지연을 조절한다.
여기에서, 평행이동 스테이지(130)는 기본 펄스와 신호 펄스와의 상대적인 시간 지연을 조절하는 장치로서 도 2와 같이 반사 거울을 포함한다.
평행이동 스테이지는 반사 거울의 위치를 조절하여 기본 펄스와 신호 펄스의 상대적인 시간 지연을 조절한다.
도 2에서는 편의상 기본 펄스의 시간지연을 조절하는 것으로 표현했으나, 도 2와 달리 신호 펄스의 시간 지연을 조절하도록 설치될 수도 있다.
빔 결합 장치(140)는 세기가 조절된 신호 펄스를 인가받아 시간 지연이 조절된 기본 펄스와 결합시킨다.
여기에서, 빔 결합 장치(140)는 빔 스플리터(110)와 마찬가지로 구멍 뚫린 거울을 사용하거나 광학 코팅이 된 빔 스플리터 등의 장치를 이용하여 빔을 결합할 수 있다.
렌즈(150)는 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 이온화 물질에 집속하여 이온화시켜 전자 및 이온을 생성한다.
여기에서, 렌즈(150)는 광파를 이온화 물질에 집속하기 위한 광 집속 장치로서, 집속 거울 등으로 대체할 수 있다.
이온화량 측정 장치(160)는 이온화 물질에서 생성된 이온화량을 측정하여 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출한다.
여기에서, 이온화량 측정 장치(160)는 소정량의 전압이 인가되어 생성된 전자 및 이온이 수집되는 전극(161), 수집된 전자 및 이온을 인가받아 전류를 측정하는 전류 측정부(162) 및 측정된 전류를 인가받아 전기신호의 형태로 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부(163)를 포함한다.
신호 펄스 분석 장치(170)는 산출된 이온화 변화량을 이용하여 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산한다.
도 2에 도시된 빔 스플리터(110), 조리개(120), 평행이동 스테이지(130), 빔 결합 장치(140), 렌즈(150)는 도 3 및 도 4와 같이 순서를 바꾸거나 다른 형태로 구성될 수 있다.
도 3에서는 구멍이 뚫린 평면 거울과 구멍 안쪽에 위치한 작은 평면 거울을 이용해 빔 스플리터(110), 조리개(120), 평행이동 스테이지(130)빔 결합 장치(140)의 역할을 수행하고 있다.
평면거울의 구멍크기와 구멍 안쪽 거울의 크기를 적절히 선택하면 조리개의 역할을 수행하므로 빔 세기를 조절할 수 있으며, 평행이동 스테이지(130)는 구멍 안쪽에 위치한 평면 거울과 연결되어 구멍 안쪽 평면 거울의 위치를 조절함으로써 기본 펄스와 신호 펄스 사이의 시간 지연을 조절한다.
도 4에서는 구멍이 뚫린 집속 거울과 구멍 안쪽에 위치한 같은 집속 거리를 가지는 집속 거울을 이용해 빔 스플리터(110), 조리개(120), 평행이동 스테이지(130), 빔 결합 장치(140), 렌즈(150)의 역할을 수행하고 있다.
도 3과 마찬가지로 평행이동 스테이지(130)는 구멍 안쪽에 위치한 집속 거울과 연결되어 구멍 안쪽 집속 거울의 위치를 조절함으로써 기본 펄스와 신호 펄스 사이의 시간 지연을 조절한다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 광파의 진폭 및 위상 분석 장치의 실시예들의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 보는 바와 같이, 빔 스플리터(110)는 공간상의 분리를 통해 하나의 펄스를 두 개의 펄스로 분리한다. 이때, 하나의 빔은 기본 펄스(
Figure 112015118573511-pat00001
, Fundamental Pulse)이고, 나머지 빔은 측정하고자 하는 신호 펄스(
Figure 112015118573511-pat00002
, Signal Pulse)이다.
조리개(120)는 빔 스플리터(110)로부터 분리된 신호 펄스를 인가받아 빔의 크기를 조절해서 이온화를 일으키는 물질에서 신호 펄스의 전기장 세기가 기본 펄스보다 현저히 약하도록 조절한다.
이때, 이온화를 일으키는 물질에 집속된 신호 펄스의 전기장 세기는 이온화량을 측정할 때 발생하는 전기적 잡음으로부터 이온화 변화를 충분히 측정 가능한 정도인 0.1% 보다 크며, 신호펄스 만으로 이온화가 일어나지 않는 정도의 세기인 20% 미만으로 조절하여야 한다.
평행이동 스테이지(130)는 기본 펄스를 인가받아 신호 펄스와의 시간 지연을 조절한다.
평행이동 스테이지(130)는 부착된 거울의 위치를 조절하여 광경로의 길이를 바꾸어 시간 지연을 조절한다.
빔 결합 장치(140)는 조리개(120)에서 크기가 조절된 신호 펄스와 평행이동 스테이지(130)에서 시간 지연이 조절된 기본 펄스를 인가받아 두 빔이 시간-공간 영역에서 겹쳐 지도록 한다.
만일, 빔 분리 단계에서 도3 또는 도4와 같이 두 빔이 같은 광학경로를 지나도록 나눈 경우에는 빔 결합 장치(140)의 상기 동작이 필요하지 않을 수 있다.
렌즈(150)를 이용하여 빔 결합 장치(140)에서 결합된 두 빔을 이온화를 일으키는 물질로 집속한다.
이온화 물질이 집속된 광파와 반응하면 이온화되어 전자 및 이온을 생성한다.
이온화량 측정 장치(160)가 이온화 물질에서 생성된 이온화량을 측정하여 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출한다.
기본 펄스와 함께 신호 펄스가 시간 지연
Figure 112015118573511-pat00003
를 가지고 물질에 입사되는 경우, 물질의 이온화율(단위 시간당 이온화 될 확률)을 w(t) 라 하면, 생성되는 이온화량은 다음 수학식과 같다.
Figure 112015118573511-pat00004
여기에서,
Figure 112015118573511-pat00005
(t-
Figure 112015118573511-pat00006
)는 시간 만큼 지연된 기본 펄스의 전기장 세기이고,
Figure 112015118573511-pat00007
(t)는 측정하고자 하는 신호 펄스의 전기장 세기이다.
이때, 신호 펄스의 전기장 세기가 기본 펄스에 비해 현저히 작기 때문에 수학식 1은 다음 수학식과 같이 근사화가 가능하다.
Figure 112015118573511-pat00008
여기에서, N0 는 기본 펄스만으로 생성된 이온화량이고, 함수 g(t-
Figure 112015118573511-pat00009
)는 시간 지연된 기본 펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 전기장 세기에 대한 미분값 [즉,
Figure 112015118573511-pat00010
]이며,
Figure 112015118573511-pat00011
(t)는 측정하고자 하는 신호 펄스이다.
따라서, 시간 지연에 따른 이온화량의 변화
Figure 112015118573511-pat00012
는 다음 수학식과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015118573511-pat00013
여기에서, 함수 g(t-
Figure 112015118573511-pat00014
) 는 시간 지연된 기본 펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값 [즉,
Figure 112015118573511-pat00015
]이며,
Figure 112015118573511-pat00016
(t)는 측정하고자 하는 신호 펄스의 전기장 세기이다.
즉, 이온화량의 변화
Figure 112015118573511-pat00017
는 기본 펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값(
Figure 112015118573511-pat00018
과 신호 펄스
Figure 112015118573511-pat00019
의 상호상관(cross-correlation) 함수 형태가 된다.
이때, 기본 펄스 또는 신호 펄스가 긴 경우에는 상기 수학식 3을 이용하여 신호 펄스의 모양, 즉 진폭 및 위상을 찾을 수 있고, 기본 펄스가 짧아 이온화가 기본 펄스의 피크 부분에서만 한번 일어난다고 하면, 이온화 변화량
Figure 112015118573511-pat00020
는 다음 수학식과 같이 근사화될 수 있기 때문에 신호 펄스의 진폭 및 위상을 직접 측정하는 것이 가능해 진다.
Figure 112015118573511-pat00021
여기에서,
Figure 112016022398656-pat00022
(
Figure 112016022398656-pat00026
)는 측정하고자 하는 신호 펄스의 전기장 세기이다.
한편, 이온화량 측정 장치(160)가 이온화 변화량을 측정하는 수단으로는 도 7 내지 도10에 도시된 바와 같이 여러 가지 장치가 사용될 수 있다.
즉, 도 7에서와 같이 진공 혹은 대기 중 가스(181) 등을 빔 결합 장치(140)에서 결합된 기본 펄스와 신호 펄스를 렌즈(150)를 이용해 반응시키면 가스가 이온화되어 전자 및 이온을 생성한다.
전극(161)은 금속재질의 물질로서 소정량의 전압을 가하면 상기 생성된 전자 및 이온이 수집되고, 전류 측정부(162)는 전극(161)으로부터 수집된 전자 및 이온을 인가받아 전류를 측정한다.
이온화량 측정부(163)는 전류 측정부(162)로부터 측정된 전류를 인가받아 전기신호의 형태로 총 이온화량을 측정한다.
또한, 도 8에서와 같이 가스젯 장치(182)가 가스를 분출하면 분출된 가스를 빔 결합 장치(140)에서 결합된 기본 펄스와 신호 펄스를 렌즈(150)를 이용해 반응시키면 가스가 이온화되어 전자 및 이온을 생성한다.
그 후에 전극(161), 전류 측정부(162) 및 이온화량 측정부(163)에서의 동작은 도 7과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도 9에서와 같이 날카로운 금속 물질(183)을 빔 결합 장치(140)에서 결합된 기본 펄스와 신호 펄스를 렌즈(150)를 이용해 반응시키면 이온화되어 전자 및 이온을 생성한다.
그 후에 전극(161), 전류 측정부(162) 및 이온화량 측정부(163)에서의 동작은 도 7과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
특히, 금속물질(183)을 이온화 물질로 이용하는 경우에는 따로 전극(161)을 구비할 필요 없이 금속물질(183)에서 생성되는 전류를 직접 측정할 수도 있다.
또한, 도 10에서와 같이 나노 구조물(184)을 빔 결합 장치(140)에서 결합된 기본 펄스와 신호 펄스의 광파를 렌즈(150)를 이용해 반응시키면 이온화되어 전자 및 이온을 생성한다.
그 후에 전극(161), 전류 측정부(162) 및 이온화량 측정부(163)에서의 동작은 도 7과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
특히, 나노 구조물(184)의 경우에는 전극(161)을 함께 나노 구조물(184)의 형태로 제작할 수도 있다.
이외에도 이온화 현상은 아주 보편적으로 일어나는 현상이므로 이외에도 다른 많은 형태의 이온화 물질의 사용이 가능하다.
신호 펄스 분석 장치(170)는 수학식 3에서 보는 바와 같이, 시간 지연에 대한 이온화 변화량이 기본펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분 함수(dw/dE)와 신호 펄스의 상호상관(cross-correlation) 함수 형태로 주어지는 점을 이용하여 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산한다.
특히, 기본 펄스가 매우 짧아 광파의 반 주기에서만 이온화가 일어날 경우에는, 이온화 변화량이 신호 펄스의 전기장에 비례한다는 점을 이용해 신호 펄스의 진폭 및 위상을 계산한다.
이와 같이, 본 발명의 광파의 진폭 및 위상 분석 장치는 기본 펄스 및 신호 펄스 두 개의 빔을 이용하여 시간 지연에 따라 이온화 변화량을 측정한 후, 기본펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분 함수와 신호 펄스의 상호상관(cross-correlation) 함수 형태로 주어지는 시간 지연에 대한 이온화 변화량을 산출하여 신호 펄스의 진폭과 위상을 측정할 수 있다.
이를 통하여, 종래의 자기 상관 방법과 달리 펄스의 진폭 및 위상 정보 제공이 가능하여 정확한 펄스 모양을 제공할 수 있고, 종래의 비선형 결정을 사용할 때 나타나는 파장 범위 제한 없이 광파의 시간에 따라 변화하는 모양을 측정할 수 있게 된다.
이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형 또는 수정하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
110: 빔 스플리터
120: 조리개
130: 평행이동 스테이지
140: 빔 결합 장치
150: 렌즈
160: 이온화량 측정 장치
170: 신호 펄스 분석 장치

Claims (17)

  1. 광파를 인가받아 기본 펄스 및 측정 대상 신호 펄스로 분리하는 빔 스플리터;
    상기 분리된 신호 펄스를 인가받아 펄스의 전기장 세기를 상기 기본 펄스보다 소정의 양만큼 약하게 조절하는 조리개;
    상기 기본 펄스 또는 신호 펄스를 인가받아 양 펄스 사이의 상대적인 시간 지연을 조절하는 평행이동 스테이지;
    상기 상대적인 시간 지연이 조절된 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 결합시키는 빔 결합 장치;
    상기 결합되는 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 이온화 물질로 집속하여 이온화시켜 전자 및 이온을 생성하는 렌즈;
    상기 생성된 이온의 양을 측정하여 상기 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출하는 이온화량 측정 장치; 및
    상기 산출된 이온화 변화량을 이용하여 상기 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산하는 신호 펄스 분석 장치;
    를 포함하고,
    상기 이온화 물질은
    진공 혹은 대기 중 가스, 가스젯 장치가 분출한 가스, 금속 물질 및 나노 구조물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 펄스 분석 장치는
    상기 기본 펄스가 소정의 시간 지연(
    Figure 112015118573511-pat00027
    )를 가지고 상기 이온화 물질에 입사되는 경우, 상기 생성되는 이온화량을
    Figure 112015118573511-pat00028
    의 수학식 1로 산출하며,
    상기 w(t)는 상기 이온화 물질의 이온화율이고, 상기
    Figure 112015118573511-pat00029
    (t-
    Figure 112015118573511-pat00030
    )는 상기 기본 펄스가 상기 소정의 시간 지연(
    Figure 112015118573511-pat00031
    )만큼 지연된 후 전기장 세기이고, 상기
    Figure 112015118573511-pat00032
    (t)는 상기 신호 펄스의 전기장 세기인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수학식 1은
    Figure 112015118573511-pat00033
    의 수학식 2로 근사화되며,
    상기 N0 는 기본 펄스만으로 생성된 이온의 양이고,
    상기 함수 g(t-
    Figure 112015118573511-pat00034
    )는 소정의 시간 지연(
    Figure 112015118573511-pat00035
    )만큼 지연된 기본펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값, 즉
    Figure 112015118573511-pat00036
    이며, 상기
    Figure 112015118573511-pat00037
    (t)는 상기 신호 펄스의 전기장 세기인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이온화 변화량은
    Figure 112015118573511-pat00038
    의 수학식 3으로 산출되며,
    상기
    Figure 112015118573511-pat00039
    이고, 상기 함수 g(t-
    Figure 112015118573511-pat00040
    )는 소정의 시간 지연(
    Figure 112015118573511-pat00041
    )만큼 지연된 기본펄스의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값, 즉
    Figure 112015118573511-pat00042
    이며, 상기
    Figure 112015118573511-pat00043
    (t)는 상기 신호 펄스의 전기장 세기인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호 펄스 분석 장치는
    상기 신호 펄스의 진폭 및 위상을 상기 수학식 3을 통해 계산하는 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 이온화가 상기 기본 펄스의 피크 부분에서만 발생하는 경우,
    상기 수학식 3은
    Figure 112016022398656-pat00044
    의 수학식 4로 근사화되고,
    상기
    Figure 112016022398656-pat00045
    는 상기 시간 지연에 따른 이온화 변화량이며, 상기
    Figure 112016022398656-pat00046
    (
    Figure 112016022398656-pat00050
    )는 상기 신호 펄스의 전기장 세기인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 펄스 분석 장치는
    상기 신호 펄스의 진폭 및 위상을 상기 수학식 4를 통하여 상기 신호 펄스가 시간
    Figure 112015118573511-pat00051
    만큼 지연된 후 전기장 세기에 비례하여 직접 계산하는 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온화량 측정 장치는
    소정량의 전압이 인가되어 상기 생성된 전자 및 이온이 수집되는 전극;
    상기 수집된 전자 및 이온을 인가받아 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 측정된 전류를 인가받아 전기신호의 형태로 상기 생성된 이온의 양을 측정하는 이온화량 측정부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 양은
    상기 기본 펄스의 전기장 세기의 0.1% 초과, 20% 미만인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는
    구멍 뚫린 거울로 대체 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 조리개는
    상기 신호 펄스의 일부 만을 투과 혹은 반사시키는 장치로 대체 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 결합 장치는
    빔 스플리터 광학계 또는 구멍 뚫린 거울로 대체 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는
    집속 거울로 대체 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파 신호 펄스의 진폭 및 위상 분석 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 스플리터, 상기 조리개 및 상기 빔 결합 장치는 구멍 뚫린 거울과 구멍 내부의 거울로 대체하여 구성하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파 신호 펄스의 진폭 및 위상 분석 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 스플리터, 상기 조리개, 상기 빔 결합 장치 및 상기 렌즈는 구멍 뚫린 집속거울과 구멍 내부의 집속 거울로 대체하여 구성이 가능한 것을 특징으로 하는,
    광파 신호 펄스의 진폭 및 위상 분석 장치.
  16. 광파를 인가받아 기본 펄스 및 측정 대상 신호 펄스로 분리하는 빔 스플리터;
    상기 분리된 신호 펄스를 인가받아 펄스의 전기장 세기를 상기 기본 펄스보다 소정의 양만큼 약하게 조절하는 조리개;
    상기 기본 펄스 또는 신호 펄스를 인가받아 양 펄스 사이의 상대적인 시간 지연을 조절하는 평행이동 스테이지;
    상기 상대적인 시간 지연이 조절된 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 결합시키는 빔 결합 장치;
    상기 결합되는 기본 펄스와 신호 펄스를 인가받아 이온화 물질로 집속하여 이온화시켜 전자 및 이온을 생성하는 렌즈;
    상기 생성된 이온의 양을 측정하여 상기 시간 지연에 따른 이온화 변화량을 산출하는 이온화량 측정 장치; 및
    상기 산출된 이온화 변화량을 이용하여 상기 신호 펄스의 진폭과 위상을 계산하는 신호 펄스 분석 장치;
    를 포함하고,
    상기 이온화 물질은
    진공 혹은 대기 중 가스, 가스젯 장치가 분출한 가스, 금속 물질 및 나노 구조물 중 어느 하나를 포함하며,
    상기 이온화량 측정 장치는
    소정량의 전압이 인가되어 상기 생성된 전자 및 이온이 수집되는 전극;
    상기 수집된 전자 및 이온을 인가받아 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 측정된 전류를 인가받아 전기신호의 형태로 상기 생성된 이온의 양을 측정하는 이온화량 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 소정의 양은
    상기 기본 펄스의 전기장 세기의 0.1% 초과, 20% 미만인 것을 특징으로 하는,
    광파의 진폭 및 위상 분석 장치.
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