KR101693339B1

KR101693339B1 - 고출력 테라헤르츠 발생 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101693339B1
Application number: KR1020140134835A
Authority: KR
Inventors: 허민섭; 조명훈; 김영국
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2017-01-06
Also published as: US9568804B2; US20160100476A1; KR20160041252A

Abstract

본 발명은 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키고, 상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과, 상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 기설정된 위치에서 충돌하도록 대향시키는 과정과, 대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시키는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

Description

고출력 테라헤르츠 발생 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING HIGH POWER TERAHERTZ}

본 발명은 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생에 관한 것이다.

테라헤르츠파(terahertz wave)는 전자기 스펙트럼상에서 전자파의 마이크로 웨이브와 광파인 원적외선의 중간대역에 위치하는 신호로서 마이크로웨이브와 광파의 특성을 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)c초 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 마이크로웨이브와 광파가 투과하지 못하는 물질을 투과할 수 있는 특성을 가지고 있기 때문에 이러한 특성을 이용하여 다양한 장치로 개발되고 있다.

한편, 테라헤르츠파를 생성하기 위하여 종래에는 고강도의 레이저 빔을 고체의 매질에 조사하여 강한 테라헤르츠 전자기파를 발생시키는 방법을 사용하였다.

이러한 테라헤르츠파는 유기체를 손상시키지 않고 분석할 수 있어, X-ray를 대체할 차세대 웨이브로 평가받고 있으나, 고출력 테라헤르츠파는 아직 달성해야할 분야이다. 플라즈마와 레이저의 상호작용으로 발생되는 THz는 파워가 크고, 다양한 진동수를 달성할 수 있어 관심을 받고 있으며, 현재 주요 THz 발생 방법은 도 2에 도시된 바와 같다.

먼저, 도 2a는 2 color 방법에 관한 것으로, 2개 파장의 약한 레이저를 동시에 조사하여 발생시켜 THz 크기가 ~MV/cm로 여러 가지 방법 중 가장 큰 세기를 내고, THz 진동수가 넓다.

도 2b는 리니어 모드(linear mode) 변환 방법에 관한 것으로, 플라즈마의 밀도가 변하는 구간에 고출력 레이저를 조사하여 발생시켜 THz 크기가 ~MV/cm, THz 진동수가 상대적으로 넓다.

도 2c는 체렌코프 웨이크(cherenkov wake)에 관한 것으로, 자화된 플라즈마에 고출력 레이저를 조사하여 발생시켜 이로 인해 자기장의 세기에 한계가 있어 발생되는 THz의 크기는 약하고, THz 진동수가 좁다.

상술한 바와 같이, 현재 THz 진동수가 좁은 방법은 체렌코프 방법이 유일한 편이나 고출력의 레이저가 필요한 실정이다.

따라서 본 발명은 이를 해결하기 위해 자화시킨 플라즈마에 낮은 레이저를 가장자리에서 충돌시키고, 이로부터 형성된 조밀한 플라즈마 웨이브에 형성되어 플라즈마 진동수로 진동하는 전류로부터 테라헤르츠(THz)를 발생시키는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키고, 상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과, 상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과, 자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 기설정된 위치에서 충돌하도록 대향시키는 과정과, 대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시키는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 진공 챔버와, 상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와, 기설정된 크기의 에너지를 가지는 레이저를 발생하여 기설정된 출력 이하의 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 진공 챔버 내 플라즈마의 가장자리에서 충돌되도록 2개의 레이저를 대향하게 조사하는 레이저 발생부와, 상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하고, 전자장을 유도하여 생성된 플라즈마를 자화시키는 RF 전원과, 상기 진공 챔버 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 상기 레이저 발생부에 의해 대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시키는 테라헤르츠파 발생부를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 기존의 고출력 레이저보다 10배 낮은 출력의 레이저로 MW/cm2 레벨의 테라헤르츠를 발생시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법에 관한 전체 흐름도.
도 2는 종래의 테라헤르츠 발생 방법 관련 동작 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발상 방법 관련 동작 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법이 적용된 테라헤르츠 발생 관련 이론 및 시뮬레이션 결과를 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 장치의 블록도.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명은 레이저 플라즈마를 이용한 테라헤르츠파 발생에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 RF 전원을 통해 챔버 내 전기장을 유도하여 자화시킨 플라즈마에 낮은 레이저를 가장자리에서 충돌시키고, 이로부터 형성된 조밀한 플라즈마 웨이브에 형성되어 플라즈마 진동수로 진동하는 전류로부터 테라헤르츠(THz)를 발생시킴으로써 기존의 고출력 레이저보다 10배 낮은 출력의 레이저로 MW/cm2 레벨의 테라헤르츠를 발생시키는 기술을 제공하고자 한다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법에 관해 도 1을 참조하여 자세히 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법에 관한 전체 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 110 과정에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 장치는 레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시킨다.

여기서, 상기 진공 챔버는 주입되는 가스를 공급받고 플라즈마 상태로 여기 시키는 공간을 제공하여 플라즈마가 발생되는 공간을 제공한다.

112 과정에서는 레이저 집속에 대응되는 플라즈마(plasma)를 생성한다.

상기 플라즈마는 고출력 테라헤르츠 발생에 의해 반응 가스가 활성화되어 플라즈마 상태로 변형되는 것으로, 레이저 발생부로부터 발생된 고강도의 레이저 빔이 빔 접속수단에 조사되면, 해당 레이저 빔은 빔 접속수단에 의해 반사되어 진공 챔버 내의 소정 위치에 집속되고, 상기 진공 챔버 내의 소정 위치에 존재하는 공간적으로 서로 다른 압력을 가지는 가스는 이온화되어 플라즈마가 생성된다.

114 과정에서는 구동 주파수를 가지고 주기적인 RF 펄스를 제공하는 RF 전원을 상기 진공 챔버에 인가하여 진공 챔버 내 전자장을 유도하여 116 과정에서 생성된 플라즈마를 자화시킨다.

118 과정에서는 자화된 플라즈마에 대향하게 레이저를 조사하여 기설정된 위치에서 충돌하도록 하여, 120 과정에서 소정 주파수의 테라헤르츠파를 발생시킨다.

이때, 상기 자화된 플라즈마에서 기설정된 출력 이하의 레이저의 충돌이 발생되면 임계치 이상의 플라즈마 웨이브가 형성되고, 상기 플라즈마 웨이브에 형성된 전류는 플라즈마 진동수로 진동하며 테라헤르츠파를 발생시킨다.

더욱 상세하게는, 상기 자화된 플라즈마에 입사되는 레이저는, 레이저 발생부를 통해 기설정된 크기의 에너지를 가지는 레이저가 발생되어 기설정된 출력 이하로 생성된 레이저로, 본 발명에서는 2개의 레이저가 기설정된 위치 즉, 플라즈마의 가장자리로 서로 마주 오도록 제어되어 상기 가장자리에서 충돌한다. 이는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저의 충돌 위치에서 1개 레이저의 약 10배가 큰 조밀한 플라즈마 웨이브가 형성이 되고, 레이저의 충돌 위치에서 형성된 플라즈마 웨이브에 의해 정지되어 있지만 플라즈마 진동수로 진동하는 전류가 형성이 되는데 이로부터 테라헤르츠 웨이브가 발생되며, 관련식은 하기의 수학식 1과 같다.

(여기서, σ: 레이저 펄스 길이/2, ｋ: 레이저 파수,

: 레이저의 normalized vector potential, τ: 레이저 지속시간/2,

: 플라즈마 진동수,

: eB/m,

: 테라헤르츠 전기장 크기, e : 전자의 전하량, m : 전자의 질량, c : 진공에서의 빛의 속도, ω: 레이저의 각진동수)

그리고, 상기 테라헤르츠파의 세기는 하기의 수학식 2와 같이 표현된다.

(여기서,

: 수학식 1에서 유추되는 전류밀도, e : 전자의 전하량, m : 전자의 질량, c : 진공에서의 빛의 속도, ω: 레이저의 각진동수,

=kx, k: 레이저 파수, x : 레이저 충돌지점으로부터의 거리, t : 레이저 충돌부터의 시간,

:플라즈마 진동수,

: 레이저 길이/2,

: 테라헤르츠파의 세기)

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법이 적용된 테라헤르츠 발생 관련 이론 및 시뮬레이션 결과를 보인 예시도이다.

도 4의 (a) 및 (b)에 각각 도시된 바와 같이, 레이저 세기에 따른 THz 비교 결과, 1 개 레이저 펄스 대비 10배 정도의 세기를 보였다. 하지만 플라즈마 웨이브의 쇄파(wave breaking)효과 때문에

< 1 범위의 낮은 레이저를 이용해야한다. 이론적인 효과적인 세기는 하기의 수학식 3과 같으나 시뮬레이션 결과와 같이 좀더 높은 레이저 세기에서도 효과를 볼 수 있다.

또한, 본 발명이 적용된 시뮬레이션 결과에서는 도 4b에 도시된 바와 같이, 레이저 충돌위치가 플라즈마의 경계에서 가장 큰 THz가 발생되나, 충돌위치가 플라즈마 안으로 들어감에 따라 발생되는 THz 세기는 상술한 수학식 2에서와 같이 낮아진다.

이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법에 대해서 살펴보았다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 장치에 대해 도 5를 참조하여 살펴보기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 장치의 블록도를 보인 것으로, 본 발명이 적용된 장치는 가스 조절부(510), 진공 챔버(512), 레이저 발생부(518) 및 RF 전원(513)을 포함한다.

상기 진공 챔버(512)는 플라즈마 생성부(514), 테라헤르츠발생부(516)를 포함하고, 주입되는 가스를 공급받고 플라즈마 상태로 여기 시키는 공간을 제공하여 플라즈마가 발생되는 공간을 제공한다.

상기 가스 조절부(510)는 진공 챔버(512)에 설치되어 상기 진공 챔버(512)에 가스를 공급한다.

상기 레이저 발생부(518)는 기설정된 크기의 에너지를 가지는 레이저를 발생하여 기설정된 출력 이하의 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 진공 챔버(512) 내 플라즈마의 가장자리에서 충돌되도록 2개의 레이저를 대향하게 조사한다.

상기 플라즈마 생성부(514)는 진공 챔버(512) 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성한다.

상기 RF 전원(513)은 진공 챔버(512)에 설치되어 RF 신호를 제공하고, 전자장을 유도하여 생성된 플라즈마를 자화시킨다.

상기 테라헤르츠파 발생부(516)는 플라즈마 생성부(514)로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원(513)을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 상기 레이저 발생부(518)에 의해 대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시킨다.

다시 말해, 상기 RF 전원(513)을 통해 자화된 플라즈마에 입사되는 레이저는, 레이저 발생부(518)를 통해 기설정된 크기의 에너지를 가지는 레이저가 발생되어 기설정된 출력 이하로 생성된 레이저로, 본 발명에서는 2개의 레이저가 기설정된 위치 즉, 플라즈마의 가장자리로 서로 마주 오도록 제어되어 상기 가장자리에서 충돌한다. 이때, 레이저의 충돌 위치에서 1개 레이저의 약 10배가 큰 조밀한 플라즈마 웨이브가 형성이 되고, 레이저의 충돌 위치에서 형성된 플라즈마 웨이브에 의해 정지되어 있지만 플라즈마 진동수로 진동하는 전류가 형성이 되는데 이로부터 테라헤르츠 웨이브가 발생된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 고출력 테라헤르츠 발생 방법 및 장치에 관한 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

510: 가스 조절부 512: 진공 챔버
513: RF 전원 514: 플라즈마 생성부
516: 테라헤르츠 발생부 518: 레이저 발생부

Claims

레이저를 진공 챔버 내 가스에 집속시키고, 상기 레이저의 집속에 대응되는 플라즈마를 생성하는 과정과,
상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하는 RF 전원을 이용하여 전자장을 유도하여 생성된 상기 플라즈마를 자화시키는 과정과,
자화된 상기 플라즈마에 입사되는 레이저를 기설정된 위치에서 충돌하도록 대향시키는 과정과,
대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시키는 과정을 포함하며, 상기 기설정된 위치는,
상기 진공 챔버 내 생성된 플라즈마의 가장자리임을 특징으로 하고,
상기 자화된 플라즈마에 입사되는 레이저는,
2개의 기설정된 출력 이하의 레이저이고, 플라즈마의 가장자리를 기준으로 서로 마주오도록 제어되어 충돌함을 특징으로 하는 고출력 테라헤르츠 발생 방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 자화된 플라즈마에서 기설정된 출력 이하의 레이저의 충돌이 발생되면 임계치 이상의 플라즈마 웨이브가 형성되고, 상기 플라즈마 웨이브에 형성된 전류는 플라즈마 진동수로 진동하며 테라헤르츠파를 발생시킴을 특징으로 하는 고출력 테라헤르츠 발생 방법.
제4항에 있어서, 상기 테라헤르츠파는,
상기 형성된 플라즈마 웨이브에 의해 고정되어 플라즈마 진동수로 진동하는 전류 형성을 통해 발생되는 하기와 같은 식으로써 발생됨을 특징으로 하는 고출력 테라헤르츠 발생 방법.

(여기서, σ: 레이저 펄스 길이/2, ｋ: 레이저 파수,
: 레이저의 normalized vector potential, τ: 레이저 지속시간/2,
: 플라즈마 진동수,
: eB/m,
: 테라헤르츠 전기장 크기, e : 전자의 전하량, m : 전자의 질량, c : 진공에서의 빛의 속도, ω: 레이저의 각진동수)
제4항에 있어서, 상기 테라헤르츠파의 세기는 하기와 같이 표현됨을 특징으로 하는 고출력 테라헤르츠 발생 방법.

(여기서,
: 전류밀도, e : 전자의 전하량, m : 전자의 질량, c : 진공에서의 빛의 속도, ω: 레이저의 각진동수,
=kx, k: 레이저 파수, x : 레이저 충돌지점으로부터의 거리, t : 레이저 충돌부터의 시간,
:플라즈마 진동수,
: 레이저 길이/2,
: 테라헤르츠파의 세기)
진공 챔버와,
상기 진공 챔버에 가스를 공급하는 가스 조절부와,
기설정된 크기의 에너지를 가지는 레이저를 발생하여 기설정된 출력 이하의 레이저를 생성하고, 생성된 상기 레이저를 진공 챔버 내 플라즈마의 가장자리에서 충돌되도록 2개의 레이저를 대향하게 조사하는 레이저 발생부와,
상기 진공 챔버에 설치되어 RF 신호를 제공하고, 전자장을 유도하여 생성된 플라즈마를 자화시키는 RF 전원과,
상기 진공 챔버 내에 조사되어 가스에 집속된 레이저에 상응하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
상기 플라즈마 생성부로부터 생성된 플라즈마를 RF 전원을 통해 전자장을 유도하여 자화시키고, 상기 레이저 발생부에 의해 대향하는 레이저 충돌을 통해 생성된 플라즈마의 진동에 의해 소정 주파수를 가지는 테라헤르츠파를 발생시키는 테라헤르츠파 발생부를 포함함을 특징으로 하는 고출력 테라헤르츠 발생 장치.