KR101746774B1 - 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광펄스를 발생하는 펄스 레이저; 발생된 광펄스를 다채널에 대응하여 할당하는 제1 할당부; 할당된 광펄스를 이용하여 테라헤르츠파를 발생하고, 발생된 테라헤르츠파를 해당된 채널에 대응하는 샘플 영역으로 방사하는 복수 개의 송신부 및 상기 테라헤르츠파가 방사된 각 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 복수 개의 수신부를 포함하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 개시한다.
Description
본 발명은 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다채널에 대응하는 복수 개의 샘플 영역의 분광 특성을 검출 및 분석하여 2차원의 영상으로 구현하는 기술에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 절연체, 유전체, 플라스틱 및 다양한 소재 등 샘플에 투과 또는 반사되는 특성을 가지고 있어, 다양한 소재의 전기 광학적 분광 특성을 분석하는데 사용된다.
특허문헌 1은 테라헤르츠 전자기파를 이용한 시간영역 분광 장치에 관한 것으로서, 테라헤르츠 전자기파를 측정하고자 하는 샘플에서 반사되는 분광 특성을 검출하는 기술이고, 특허문헌 2는 테라헤르츠 분광 영상장치에 관한 것으로서, 테라헤르츠 전자기파를 측정하고자 하는 샘플에서 투과되는 분광 특성을 검출하는 기술이다.
그러나, 특허문헌 1 또는 2는 샘플에서 반사 또는 투과되는 분광 특성을 검출하고 있으나, 샘플에서 반사 및 투과되는 각각의 분광 특성을 상호 변환하여 검출하지 못하고 있어, 검출 정확도가 낮을 수 있다.
또한, 특허문헌 1은 복수 개의 샘플 영역에 대한 각각의 분광 특성을 검출하는 기술을 개시하지 못하고 있고, 특허문헌 2는 복수 개의 분광 특성을 검출하는 기술을 개시하고 있으나, 샘플을 스캐닝하여 복수 개의 분광 특성을 검출하므로, 샘플을 스캐닝하는 소요 시간이 길어지는 문제점과 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재 또는 복수 개의 소재를 동시에 분석하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 각 샘플영역에 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성과 투과된 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출함으로써, 검출 정확도를 향상시키는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 제공한다.
본 발명은 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재 또는 복수 개의 소재를 동시에 분석하여 2차원의 영상으로 구현함으로써, 다양한 소재 형태의 검출 범용성을 높이고, 분석 소요 시간을 줄이며, 영상 장치로 활용하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 제공한다.
본 발명은 광 경로 전체를 광섬유로 구성하여 광 정렬의 문제를 최소화 시키는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 제공한다.
본 발명의 다채널에 대응하는 복수 개의 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템은, 광펄스를 발생하는 펄스 레이저; 발생된 광펄스를 다채널에 대응하여 할당하는 제1 할당부; 할당된 광펄스를 이용하여 테라헤르츠파를 발생하고, 발생된 테라헤르츠파를 해당된 채널에 대응하는 샘플 영역으로 방사하는 복수 개의 송신부 및 상기 테라헤르츠파가 방사된 각 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 복수 개의 수신부를 포함한다.
상기 펄스 레이저와 복수 개의 송신부 및 수신부는 광섬유 라인으로 연결될 수 있다.
상기 제1 할당부는 광 스플리터 또는 광스위치를 이용하여 상기 광펄스를 다채널에 대응하는 복수 개의 송신부로 할당할 수 있다.
상기 복수 개의 송신부는 변조 전압이 인가된 상태에서 광펄스의 광흡수에 의해 발생된 자유전자를 가속화하여 테라헤르츠파를 발생할 수 있다.
다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템은 상기 복수 개의 수신부로 검출되는 테라헤르츠파를 지연시키는 딜레이 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 수신부는 각 샘플 영역에 투과된 테라헤르츠파의 분광 특성 및 각 샘플 영역에 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출할 수 있다.
다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템은 상기 각 검출된 분광 특성을 포착하고, 상기 각 포착된 분광 특성에 대한 위상을 보상하여 복수 개의 샘플 영역을 분석하는 분석부를 더 포함할 수 있다.
상기 분석부는 상기 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재를 영역별로 동시에 분석할 수 있고, 상기 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 복수 개의 소재를 동시에 분석할 수 있다.
상기 분석부는 상기 복수 개의 샘플 영역의 각 위치에서 검출된 분광 특성을 분석하여 2차원의 영상으로 구현할 수 있다.
본 발명은 복수 개의 수신부를 통하여 각 샘플영역에 반사된 다채널 테라헤르츠파의 분광 특성과 투과된 다채널 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출함으로써, 검출 정확도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재 또는 복수 개의 소재를 동시에 분석하여 2차원의 영상으로 구현함으로써, 다양한 소재 형태의 검출 범용성을 높일 수 있고, 분석 소요 시간을 줄일 수 있으며, 영상 장치로 활용할 수 있다.
본 발명은 광 경로 전체를 광섬유로 구성함으로써, 광 정렬의 문제를 최소화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템을 도시한 것으로서, 다채널에 대응하는 복수 개의 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템(100)은, 펄스 레이저(110), 제1 할당부(121), 제2 할당부(122) 복수 개의 송신부(130), 복수 개의 수신부(150) 및 분석부(160)를 포함한다.
펄스 레이저(110)는 광펄스를 발생하고, 발생된 광펄스를 제1 할당부(121) 및 제2 할당부(122)로 전송한다.
시간영역 분광 시스템(100)은 펄스 레이저(110)와 제1 할당부(121) 및 제2 할당부(122)는 광섬유 라인(optical line)으로 연결된다.
광섬유는 중심부에 굴절률이 높은 유리가 형성되고, 바깥 부분에는 굴절률이 낮은 유리가 형성되어 중심부 유리를 통과하는 빛이 전반사가 일어나도록 제작된 광학적 섬유이다.
광섬유는 광펄스에 대한 에너지 손실이 매우 적고, 외부의 전자파에 대한 간섭 또는 혼신이 없어서, 외부 환경의 변화에 강인하며, 광 정렬의 문제를 최소화시킬 수 있다.
광섬유는 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형 광섬유 및 언덕형 광섬유로 구분되고, 본 발명에서 광섬유는 단일 모드(single mode) 광섬유를 사용할 수 있고, 이에 한정하지 않는다.
시간영역 분광 시스템(100)은 펄스 레이저(110)에서 발생된 광펄스를 제1 할당부(121)와 제2 할당부(122)로 분기하여 전송하는 가변 광커플러(미도시)를 더 포함할 수 있다.
광커플러는 광섬유 소자로 사용되고, 광파워 분기율이 50:50, 10:90 및 1:99 등 다양한 고정 분기율의 광섬유 커플러일 수 있고, 분기율을 외부에서 조절할 수 있는 가변형 커플러일 수 있다.
광펄스의 파워는 소자의 구조 및 특성에 대응하여 변화되고, 소자 특성에 기초하여 광펄스 파워의 최적점을 설정되어야 하며, 최적점의 광펄스 파워가 아닌 과도한 광펄스 파워로 입사되는 경우, 소자의 손상을 일으킬 수 있으므로, 광커플러는 설정된 최적점의 광펄스 파워로 분기할 수 있다.
펄스 레이저(110)와 제1 할당부(121) 사이의 광섬유 라인에서 광섬유 딜레이 라인(optical fiber delay line)이 형성될 수 있다.
제1 할당부(121)는 발생된 광펄스를 다채널에 대응하여 할당하고, 복수 개의 송신부(130)는 할당된 광펄스를 이용하여 테라헤르츠파를 발생한다.
제1 할당부(121)와 복수 개의 송신부(130)사이에서 광펄스의 전송 경로인 광섬유 라인이 연결됨에 따라, 시간영역 분광 시스템(100)은 광펄스의 전송을 모두 광섬유 라인에서 진행하여 광 정렬의 문제를 최소화시킬 수 있다.
제1 할당부(121)는 광 분할기 또는 광 스위치를 이용하여 광펄스를 다채널에 대응하는 복수 개의 송신부(130)로 할당할 수 있고, 제2 할당부(122)는 광 분할기 또는 광 스위치를 이용하여 광펄스를 다채널에 대응하는 복수 개의 수신부(150)로 할당할 수 있다.
종래의 시간영역 분광 시스템은 단일 채널을 통하여 극초단 광펄스를 사용하고 있고, 극초단 광펄스의 파워가 높아 전체 파워를 충분히 활용되지 못하는 문제점이 있지만, 본 발명의 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템(100)은 광 분할기 또는 광 스위치를 이용하여 전체적인 파워를 효율적으로 분할하여 사용할 수 있다.
광펄스는 1700nm 이하의 중심 파장 및 120fs(fs: femtosecond) 이하의 펄스 폭을 가질 수 있고, 바람직하게는 1550nm의 중심 파장 및 100fs의 펄스 폭을 가질 수 있다.
광섬유는 1550nm 광통신 파장의 대역에서 최소 전송 손실을 가지고, 1550nm 파장의 대역과 100fs의 펄스 폭을 가지는 광펄스는 극초단 광펄스 레이저로 사용될 수 있다.
복수 개의 송신부(130) 또는 복수 개의 수신부(150)는 1550nm 파장의 대역을 흡수 준위로 가지고, 광흡수를 통하여 전도 전자가 여기되어 테라헤르츠파를 발생시키거나, 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
100fs 이하의 펄스 폭은 1ps 이하의 펄스 폭을 가지는 테라헤르츠파를 발생하거나 검출하는데 적합한 펄스 폭으로서, 소자 소재의 반송자 수명(carrier lifetime) 등 물리적 특성을 고려한 펄스 폭일 수 있다.
복수 개의 송신부(130)는 변조 전압이 인가된 상태에서 할당된 광펄스의 광흡수에 의해 발생된 자유전자를 가속화하여 테라헤르츠파를 발생할 수 있다.
테라헤르츠파는 GHz 내지 THz 범위의 갖는 전자기파로서, 가시광선이나 적외선보다 파장이 길지만, X선처럼 투과력이 강하고, X선보다 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않으며, 다양한 소재의 분광 특성 검출하는데 사용된다.
복수 개의 송신부(130)는 광전도 안테나 또는 소형 다이폴 안테나를 사용하여 테라헤르츠파를 발생할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 송신부(130)는 InP 기판 위에 LT-InGaAs/InAlAs 등의 소재를 사용할 수 있고, 저온 성장된 LT(Low Temperature)-GaAs 광전도 소재는 780nm 광펄스 이용할 때 주로 사용하는 소재일 수 있다,
복수 개의 송신부(130)는 소형 다이폴 안테나에 변조 전압이 인가된 상태에서 광펄스를 여기시키면 광흡수에 의해 전자 및 정공 등 자유 운반자(free carrier)가 생성되어 순간적으로 전류가 흐르게 되고, 테라헤르츠파를 발생할 수 있다. 테라헤르츠파의 범위는 0.1THz 내지 4THz의 범위일 수 있다.
시간영역 분광 시스템(100)은 복수 개의 송신부(130) 또는 분석부(160)에게 변조 전압(voltage modulation)을 제공하는 변조 전압 생성부(170)를 더 포함할 수 있다.
변조 전압 생성부(170)는 복수 개의 송신부(130)에게 테라헤르츠파를 발생하기 위한 변조 전압(voltage modulation)을 제공할 수 있고, 복수 개의 수신부(150)에게 lock-in amp의 참조 신호를 발생하기 위한 변조 전압을 제공할 수 있다.
분석부(160)는 복수 개의 수신부(150)에서 검출된 출력 신호가 매우 작아 이를 보상하기 위한 lock-in amp를 활용할 수 있고, 위상민감측정법이 적용될 수 있으며, 제공된 변조 전압의 변조 주파수를 참조 신호로 사용할 수 있다.
복수 개의 송신부(130)는 발생된 테라헤르츠파를 해당된 채널에 대응하는 샘플 영역으로 방사한다.
복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 샘플은 하나의 대면적 소재일 수 있고, 복수 개의 소재일 수 있으며, 샘플 홀더(140)에 의해 고정될 수 있다.
샘플은 TNT나 RDX 같은 폭발물질 검출, 농약이나 기타 해로운 화학물질 검출, 전자부품의 불량검사, 의약품 연구 및 반도체 재료의 도핑 검사 등 다양한 분야에 활용되는 소재일 수 있고, 분광 특성을 분석하는데 사용될 수 있다.
복수 개의 수신부(150)는 테라헤르츠파가 방사된 각 샘플 영역의 분광 특성을 검출한다.
복수 개의 수신부(150)는 각 샘플 영역에 투과된 테라헤르츠파의 분광 특성 및 각 샘플 영역에 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출할 수 있다.
복수 개의 수신부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 각 샘플 영역에 투과된 테라헤르츠파의 분광 특성을 검출하거나, 각 샘플 영역의 일면과 일정한 각도로 위치하여 각 샘플 영역의 일면에 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성을 검출할 수 있다.
복수 개의 수신부(150)는 각 샘플 영역에 투과 및 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출할 수 있으므로, 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다.
복수 개의 송신부(130) 및 복수 개의 수신부(150)는 규칙에 따라 배열되는 어레이 구조이고, 각각의 샘플 영역은 어레이 구조에 대응하여 영역이 설정된다.
분석부(160)는 각 검출된 분광 특성을 포착하고, 각 포착된 분광 특성에 대한 위상을 보상하여 복수 개의 샘플 영역을 분석한다.
분석부(160)는 각 포착된 분광 특성에서 잡음을 제거한 후에 복수 개의 샘플 영역을 분석할 수 있다.
분석부(160)는 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재를 영역별로 동시에 분석할 수 있고, 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 복수 개의 소재를 동시에 분석할 수 있으며, 복수 개의 샘플 영역의 각 위치에서 검출된 분광 특성을 분석하여 2차원의 영상으로 구현할 수 있으므로, 다양한 소재 형태의 검출 범용성을 높일 수 있고, 분석 소요 시간을 줄일 수 있으며, 영상 장치로 활용할 수 있다.
시간영역 분광 시스템(100)은 복수 개의 수신부(150)로 검출되는 각각의 테라헤르츠파를 지연시키는 딜레이 라인(delay line)을 더 포함할 수 있다.
분석부(160)는 딜레이 라인과 락 인 앰프(lock-in amp)에 의해 검출된 각각의 테라헤르츠파의 분광 특성 또는 테라헤르츠파의 파형을 샘플링하는 타이밍 또는 동기 검출 방법으로 분석할 수 있다.
딜레이 라인의 전체 스캔 시간 또는 주사 속도는 수초 내지 수분 사이일 수 있고, 측정 조건에 따라 다양한 시간이 적용될 수 있으며, 딜레이 라인의 전체 스캔 시간이 짧을수록 측정 시간이 단축될 수 있다.
분석부(160)와 복수 개의 수신부(150) 사이에는 전기 라인(electrical line)에 의해 연결되고, 분석부(160)는 전기 라인을 통하여 복수 개의 수신부(150)로부터 검출된 각각의 테라헤르츠파의 분광 특성을 수신할 수 있다.
분석부(160)는 투과 또는 반사된 테라헤르츠 펄스의 전기장이 소자에 인가되어 발생되는 전류를 lock-in amp 활용하여 측정할 수 있고, 딜레이 라인이 이동하면서 복수 개의 수신부(150) 각각에 도달되는 테라헤르츠 펄스의 전기장 세기 등 출력 전류를 측정하여 테라헤르츠 펄스 파형을 측정할 수 있으며, 광 샘플링 방식이 적용될 수 있다.
분석부(160)는 측정하고자 하는 샘플에 투과 또는 반사된 테라헤르츠 펄스 형태를 시간 영역에서 측정하고, Fourier 변환하여 각 주파수 영역에서의 세기 및 위상 정보를 생성하며, 각 생성된 정보에 기초하여 각 주파수에서의 흡수율, 복소 굴절률, 복소 유전율 및 복소 전도도를 연산한다.
분석부(160)는 광샘플링 방식과 위상민감측정법을 이용하여 테라헤르츠 펄스를 측정하고, 각 샘플 영역에 투과 또는 반사되지 않은 기준 펄스를 측정하며, 푸리에 변환 거쳐 주파수 영역에서 각 물리량을 추출하고, 테라헤르츠 펄스에 대한 물리량과 기준 펄스에 대한 물리량의 차이를 연산하여 각 샘플 영역의 물리적 특성을 측정할 수 있다.
변조 전압 생성부(170)와 복수 개의 송신부(130) 사이 및 변조 전압 생성부(170) 및 분석부(160) 사이에는 전기 라인에 의해 연결되고, 변조 전압 생성부(170)는 전기 라인을 통하여 복수 개의 송신부(130) 및 분석부(160)에게 변조 전압을 제공할 수 있다.
시간영역 분광 시스템(100)은 복수 개의 송신부(130) 및 복수 개의 수신부(150)를 소형화하여 2차원 테라헤르츠 영상 장치로 구현할 수 있다.
100: 시간영역 분광 시스템
110: 펄스 레이저 121: 제1 할당부
122: 제2 할당부 130: 복수 개의 송신부
140: 샘플 홀더 150: 복수 개의 수신부
160: 분석부 170: 변조 전압 생성부
110: 펄스 레이저 121: 제1 할당부
122: 제2 할당부 130: 복수 개의 송신부
140: 샘플 홀더 150: 복수 개의 수신부
160: 분석부 170: 변조 전압 생성부
Claims (10)
- 다채널에 대응하는 복수 개의 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템에 있어서,
광펄스를 발생하는 펄스 레이저;
발생된 광펄스를 다채널에 대응하여 할당하는 제1 할당부;
할당된 광펄스를 이용하여 테라헤르츠파를 발생하고, 발생된 테라헤르츠파를 해당된 채널에 대응하는 샘플 영역으로 방사하는 복수 개의 송신부 및
상기 테라헤르츠파가 방사된 각 샘플 영역의 분광 특성을 검출하는 복수 개의 수신부를 포함하되,
상기 복수 개의 송신부로 변조 전압을 제공하는 변조 전압 생성부를 더 포함하고, 제1 할당부는 광스위치를 이용하여 상기 광펄스를 다채널에 대응하는 복수 개의 송신부로 할당하며, 송신부는 변조 전압이 인가된 상태에서 광펄스의 광흡수에 의해 발생된 자유전자를 가속화하여 테라헤르츠파를 발생하고,
상기 펄스 레이저와 송신부 및 수신부는 광섬유 라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 수신부로 검출되는 테라헤르츠파를 지연시키는 딜레이 라인을 더 포함하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 수신부는 각 샘플 영역에 투과된 테라헤르츠파의 분광 특성 및 각 샘플 영역에 반사된 테라헤르츠파의 분광 특성을 상호 변환하여 검출하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 샘플 영역의 분광 특성을 광샘플링하여 시간영역에서 분광 특성을 측정하고, 광샘플링된 분광 특성을 푸리에 변환하며, 푸리에 변환된 분광 특성의 물리량을 분석하는 분석부를 더 포함하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 분석부는 상기 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 대면적 소재를 영역별로 동시에 분석하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 분석부는 상기 복수 개의 샘플 영역으로 구분되는 복수 개의 소재를 동시에 분석하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 분석부는 상기 복수 개의 샘플 영역의 각 위치에서 검출된 분광 특성을 분석하여 2차원의 영상으로 구현하는 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020150168784A KR101746774B1 (ko) | 2015-11-30 | 2015-11-30 | 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150168784A KR101746774B1 (ko) | 2015-11-30 | 2015-11-30 | 다채널 테라헤르츠파를 이용한 시간영역 분광 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170062953A KR20170062953A (ko) | 2017-06-08 |
| KR101746774B1 true KR101746774B1 (ko) | 2017-06-13 |
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ID=59218973
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|---|---|---|
| KR20200076361A (ko) | 2018-12-19 | 2020-06-29 | 재단법인 한국탄소융합기술원 | 카본 폴리머 복합재의 분산도 평가를 위한 이미징 시스템 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110160573B (zh) * | 2019-07-08 | 2022-03-25 | 山东省科学院激光研究所 | 艾赫兹超快调制脉冲扫描激光器及分布式光纤传感系统 |
-
2015
- 2015-11-30 KR KR1020150168784A patent/KR101746774B1/ko active IP Right Grant
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