KR102248372B1 - 형광 수명 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형광 수명 측정 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 측정 장치는, 서로 다른 파장의 펌프광을 출력하는 복수 개의 펌프 광원; 상기 복수 개의 펌프 광원에서 출력되는 펌프광을 결합하여, 제1 다중모드 광섬유(MultiMode Fiber, MMF)로 출력하는 펌프광 결합기; 상기 펌프광 결합기로부터 입력 받은 펌프광을 전달하는 제1 다중모드 광섬유; 상기 제1 다중모드 광섬유로부터 전달받은 펌프광은 투과하고, 상기 제1 다중모드 광섬유로 입력되는 광은 차단하는 광 아이솔레이터; 상기 광 아이솔레이터를 투과한 펌프광은 투과하고, 시료에서 발생한 형광은 반사하는 파장선택 반사필터; 상기 파장선택 반사필터를 투과한 펌프광을 상기 시료로 전달하고, 상기 시료에서 발생한 형광을 상기 파장선택 반사필터로 전달하는 제2 다중모드 광섬유; 상기 파장선택 반사 필터에서 반사되는 형광을 전달하는 제3 다중모드 광섬유; 상기 제3 다중모드 광섬유로부터 전달받은 형광에서 펌프광 파장을 흡수하고, 남은 형광을 통과시키는 하는 차단 필터(cut-off filter); 및 상기 차단 필터를 통과한 형광을 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

형광 수명 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING FLUORESCENCE LIFETIME}
본 발명은 형광 수명 측정 장치에 관한 것이다.
고출력 고체 레이저는 희토류 이온이 미량 첨가된 단결정을 로드(rod) 혹은 디스크(disk) 형태로 제조하여 레이저 발진 매질로 사용한다. 이때, 레이저 발진 매질 내 희토류 이온의 도핑 농도 및 형광 수명은 레이저 발진 특성을 결정하는 매질의 핵심적인 물질 특성이다.
일반적으로 형광 수명은 시간 분해 형광 분광학(time resolved fluorescence spectroscopy)을 사용하여 형광세기 감쇄의 시간적 거동을 측정하여 형광 수명을 결정한다. 하지만, 종래기술에 따른 형광 수명 측정 방법은 형광의 특정 파장을 선택하는 방법으로 분광기(spectrometer)를 사용하기 때문에 측정 장비의 집적화 및 소형화에 한계가 있다.
도핑 농도는 화학적 분석법인 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer)를 사용하여 미량 원소의 질량을 측정하는 방법과 광흡수 분광법(optical absorption spectroscopy)을 사용하여 특정 희토류 이온의 광흡수 정도를 측정하여 농도를 분석하는 방법이 있다.
ICP-MS는 특정 용매에 단결정을 녹여 단결정을 구성하는 원자들의 질량비를 측정하기 때문에 측정 대상 시편을 파괴해야 하고, 용액 내에 존재하는 희토류 이온 농도의 평균값을 제공한다. 따라서, ICP-MS는 로드 혹은 디스크 형태의 고체 상태 시료에 대한 도핑 농도를 측정할 수 없고, 도핑 농도의 공간 분포를 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 광흡수 분광법은 디스크 형태의 고체 시료를 대상으로 농도를 측정할 수 있으나, 시료에 입사하는 광의 난반사 및 산란을 최소화하기 위해 디스크 양면을 λ/5 미만의 광 품질(optical quality) 표면으로 가공해야 하고, 로드 형태의 시료는 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 나아가, 광흡수 측정 장비는 광흡수 정도(optical density, OD) 4 미만에서만 정밀한 측정이 가능하므로 측정 가능한 disk 두께의 한계가 있으며(희토류 이온의 종류 및 도핑 농도에 따라 차이가 있어나 일반적으로 약 5 mm 미만 두께를 사용한다), 광흡수 분광기는 사용하는 빛의 beam size가 직경 약 3 mm 이상으로 disk 내에서 측정 가능한 도핑농도의 공간 분해능은 약 3 mm 이상이라는 문제점이 있다.
본 발명은 시료를 파괴하지 않고, 정확하고 용이하게 형광 수명을 측정할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 측정 장치는, 서로 다른 파장의 펌프광을 출력하는 복수 개의 펌프 광원; 상기 복수 개의 펌프 광원에서 출력되는 펌프광을 결합하여, 제1 다중모드 광섬유(MultiMode Fiber, MMF)로 출력하는 펌프광 결합기; 상기 펌프광 결합기로부터 입력 받은 펌프광을 전달하는 제1 다중모드 광섬유; 상기 제1 다중모드 광섬유로부터 전달받은 펌프광은 투과하고, 상기 제1 다중모드 광섬유로 입력되는 광은 차단하는 광 아이솔레이터; 상기 광 아이솔레이터를 투과한 펌프광은 투과하고, 시료에서 발생한 형광은 반사하는 파장선택 반사필터; 상기 파장선택 반사필터를 투과한 펌프광을 상기 시료로 전달하고, 상기 시료에서 발생한 형광을 상기 파장선택 반사필터로 전달하는 제2 다중모드 광섬유; 상기 파장선택 반사 필터에서 반사되는 형광을 전달하는 제3 다중모드 광섬유; 상기 제3 다중모드 광섬유로부터 전달받은 형광에서 펌프광 파장을 흡수하고, 남은 형광을 통과시키는 차단 필터(cut-off filter); 및 상기 차단 필터를 통과한 형광을 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(photodiode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 시료를 파괴하지 않고, 정확하고 용이하게 형광 수명을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 기술을 이용하여 측정한 시료의 광흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치를 이용하여 측정한 시료의 형광 감쇠 역학(decay dynamics)을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부분을 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 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 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치는 펌프 광원부(100), 광 전달부(200), 수광부(300) 및 형광 수명 측정부(400)로 구성된다. 다만, 이러한 구분은 기능상 구분에 불과하며, 실제 구성 요소들은 변형 가능하다.
펌프 광원부(100)는 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k), 펌프광 결합기(150) 및 제1 다중모드 광섬유(Multimode Fiber, MMF1, 170) 를 포함할 수 있다. 나아가, 펌프 광원부(100)는 펌프광 제어부(130)를 더 포함할 수 있다.
복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)은 서로 다른 파장의 펌프광을 출력한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)은 다양한 종류의 희토류 이온(Nd3 +, Er3 +, Yb3 + 등)의 여기 전자 상태의 광흡수 피크 파장(peak wavelength)의 광을 출력할 수 있다. 또한, 이러한 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 측정 장치는, 이러한 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)을 제어할 수 있는 펌프광 제어부(130)를 포함할 수 있다. 펌프광 제어부(130)는 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)이 펄스 모드(pulse mode)로 동작하고, 사각 펄스(square pulse) 및 특정 반복율(repetition rate)로 구동하도록 제어할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 펌프광 제어부(130)는 측정 대상 형광의 수명 범위에 따라 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)의 반복율과 펄스폭(pulse width)를 가변적으로 조절할 수 있다.
펌프광 결합기(150)는 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)에서 출력되는 펌프광을 결합하여, 제1 다중모드 광섬유(MultiMode Fiber, MMF)로 출력한다. 즉, 펌프광 결합기(150)는 서로 다른 파장의 펌프광을 제1 다중모드 광섬유(170)로 효과적으로 입력하는 수단을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프광 결합기(150)는 광도파로 기반 결합기(waveguide coupler) 또는 렌즈 조합을 이용한 free-space 결합기를 포함할 수 있다.
제1 다중모드 광섬유(170)는 펌프광 결합기(150)로부터 입력 받은 펌프광을 전달하는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 다중모드 광섬유(170)는 펌프광 결합기(150)로부터 입력 받은 펌프광을 광 아이솔레이터(210)로 출력한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 다중모드 광섬유(170)는 입출력부에 광의 결합 효율을 높이는 렌즈(171, 172)를 포함할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 다양한 종류의 희토류 이온을 여기하기 위해서는 여러 종류의 광원을 사용하여 여기 해야 하였다. 하지만, 본 발명에 따르면, 복수 개의 펌프 광원(111, 113,…, 11k)과 그 출력을 결합하는 펌프광 결합기(150)을 이용함으로써, 하나의 집적된 펌프 광원 모듈을 구성할 수 있고, 이에 따라, 여러 파장의 펌프광의 생성이 가능하여 다양한 종류의 희토류 이온을 여기 할 수 있다.
또한, 제1 다중모드 광섬유(170)를 이용하여, 별도의 광정렬이 필요하지 않고, 자유 공간에 노출된 종래의 기존 시간 분해 분광측정장비와 비교하여, 장비 운영 환경이 실험실 환경이 아닌 일반 잉곳(Ingot) 생산 현장에서도 운영이 가능하다는 장점이 있다. 나아가, 레이저 다이오드를 이용하는 경우 펌프 광원의 소형화가 용이하다.
광 전달부(200)는 광 아이솔레이터(210), 파장선택 반사필터(230) 및 제2 다중모드 광섬유(MMF2, 250)를 포함할 수 있다.
광 아이솔레이터(210)는 제1 다중모드 광섬유(170)로부터 전달받은 펌프광은 투과하고, 제1 다중모드 광섬유(170)로 입력되는 광은 차단한다. 즉, 광 아이솔레이터(210)는 펌프 광원부(100)에서 발생한 펌프광은 시료(500)로 전달하지만, 시료(500)에서 발생한 형광 및 제2 다중모드 광섬유(MMF2, 250) 산란광을 펌프 광원부(100)로 입력되지 않도록 차단하는 역할을 한다.
파장선택 반사필터(230)는 광 아이솔레이터(210)를 투과한 펌프광은 투과하고, 시료(500)에서 발생한 형광은 반사한다. 즉, 파장선택 반사필터(230)는 펌프 광원부(100)에서 발생한 펌프광이 광 아이솔레이터(210)를 투과하여 입력되면, 이를 제2 다중모드 광섬유(250)를 통해 시료(500)로 전달하고, 시료(500)에서 발생한 형광은 제2 다중모드 광섬유(250)를 통해 수신하여 수광부(300)로 전달하는 역할을 수행한다.
제2 다중모드 광섬유(MMF2, 250)는 파장선택 반사필터(230)를 투과한 펌프광을 시료(500)로 전달하고, 시료(500)에서 발생한 형광을 파장선택 반사필터(230)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 다중모드 광섬유(250)는 입출력부에 광의 결합 효율을 높이는 렌즈(251, 252)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 다중모드 광섬유(250)는 출력부에 볼록 렌즈(252)를 포함하고, 볼록 렌즈(252)를 통해 빔 웨이스트(Beam waist) 0.1mm 미만의 펌프광을 집광하여 시료(500)로 출력할 수 있다. 이러한 과정을 통해 시료(500)의 희토류 이온 전자 상태를 0.1 mm 미만 공간 분해능으로 여기 시킬 수 있다. 이때, 시료를 x, y, z 방향으로 각각 이동하여 펌프광을 조사하게 되면 형광의 공간적 분포를 측정할 수 있고 이를 통해 도핑 농도의 공간적 분포를 계산할 수 있다.
펌프광에 의해 여기된 희토류 이온은 펌프 펄스 “ON” 상태에서 연속적으로 형광을 방출하며, 펄스 “OFF”시작부터 형광 세기가 감쇄하는 시간적 거동을 보인다. 이러한 특성을 갖는 형광은 광 전달부(200)를 통해 수광부(300)로 전달된다. 특히, 광 전달부(200)에서 파장반사 필터(230) 및 제2 다중모드 광섬유(250)는 펌프광과 신호광이 동시에 공존하는 구간으로, 펌프광을 시료에 입력하고, 시료(500)에서 발생한 형광을 수광부(300)로 전달하는 역할을 수행한다.
종래 기술에 따르면, 공간 분해능이 낮고, 광정렬이 필요하여 사용이 불편하다는 단점이 있으나, 본 발명에 따르면, 제2 다중모드 광섬유(250)를 이용하여, 별도의 광정렬이 필요하지 않고, 자유 공간에 노출된 종래의 기존 시간 분해 분광측정장비와 비교하여, 장비 운영 환경이 실험실 환경이 아닌 일반 잉곳(Ingot) 생산 현장에서도 운영이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 다양한 형태 (Ingot, rod, disk)를 갖는 시료의 형광 수명을 시료의 파괴 없이 0.1 mm 미만의 공간 분해능으로 측정할 수 있다.
수광부(300)는 제3 다중모드 광섬유(MMF3, 310), 차단 필터(330) 및 포토다이오드(350)를 포함할 수 있다.
제3 다중모드 광섬유(310)는 파장선택 반사 필터(230)에서 반사되는 형광을 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제3 다중모드 광섬유(310)는 파장선택 반사 필터(230)에서 반사되는 형광을 입력 받아 차단 필터(cut-off filter, 330)로 출력한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제3 다중모드 광섬유(310)는 입출력부에 광의 결합 효율을 높이는 렌즈(311, 312)를 포함할 수 있다.
차단 필터(330)는 제3 다중모드 광섬유(310)로부터 전달받은 형광에서 펌프광 파장을 흡수하거나 반사하고, 남은 형광을 통과시킨다. 즉, 차단 필터(330)는 포토다이오드(350)로 입력되는 펌프광의 광 파워를 최소화하기 위해 펌프광 파장은 흡수 혹은 반사 하고 형광은 투과한다.
포토다이오드(350)는 차단 필터를 통과한 형광을 전기 신호로 변환하는 역할을 수행한다. 즉, 형광을 분석할 수 있는 형태의 신호로 변환하는 것이다.
종래 기술에 따르면, 파장 선별을 위하여 분광기(monochromator)를 사용함으로써 형광 수명 측정 장치의 소형화가 어려웠으나, 본 발명에 따르면, 수광부를 제3 다중모드 광섬유(MMF3, 310), 차단 필터(330) 및 포토다이오드(350)로 단순화 하여, 형광 수명 측정 장치의 소형화가 가능하다. 또한, 제3 다중모드 광섬유(310)를 이용하여, 별도의 광정렬이 필요하지 않고, 자유 공간에 노출된 종래의 기존 시간 분해 분광측정장비와 비교하여, 장비 운영 환경이 실험실 환경이 아닌 일반 잉곳(Ingot) 생산 현장에서도 운영이 가능하다는 장점이 있다.
형광 수명 측정부(400)는 포토다이오드(350)가 변환한 전기 신호를 분석하여 형광 수명을 측정하는 역할을 수행한다. 형광 수명 측정부(400)는 증폭기(410), A/D 컨버터(430) 및 신호분석부(450)를 포함할 수 있다.
증폭기(410)는 포토다이오드(350)로부터 수신한 신호를 해석 가능한 크기로 증폭하고, A/D 컨버터(430)는 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 신호분석부(450)는 디지털 신호를 분석하여 형광 수명을 측정한다. 이때, 증폭기(410)는 20MHZ 이상의 광대역 증폭기를 사용할 수 있으며, 여러 번 측정된 측정값을 평균하여 형광 수명을 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 펌프 광원부(100) 및 수광부(300)를 집적화, 단순화하여 형광 수명 장치의 크기를 줄일 수 있고, 다중모드 광섬유(150, 250, 310)를 이용함으로써, 광경로를 단순화하고, 광정렬이 불필요하며, 일반 생산 현장에서의 장비 운영이 가능하다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 형광 수명 측정부(400)에서 측정한 형광 수명을 바탕으로 수학식(1)을 이용하여 상기 시료의 도핑 농도를 계산하는 도핑 농도 계산부를 더 포함할 수 있다.
C = Q [(τo/τf) -1]1/2 수학식(1)
C : 도핑 농도, Q : 담금질 매개 변수(quenching parameter), τo : 비방사 에너지 전달 과정이 없는 경우의 여기 전자 상태 수명, τf : 형광소광(fluorescence quenching) 과정이 일어나는 특정 도핑 통도 조건에서 여기 전자 상태 수명
고체레이저용 단결정(host)에 도핑된 희토류 이온(dopant) 농도는 희토류 이온의 여기 전자상태(excited electronic state)의 수명을 분석하여 측정할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 여기 전자상태 수명은 감쇠(decay) 과정에서 발생되는 형광의 감쇠 역학(decay dynamics)을 시간 분해 형광 분광학(time resolved fluorescence spectroscopy)을 이용해 측정할 수 있다. 즉, 여기 전자상태에 있는 이온들은 비방사 에너지전달(nonradioactive energy transfer) 과정이 도핑 농도에 비례하여 활성화되고, 형광소광(fluorescence quenching) 현상이 발생하여 형광 수명이 도핑농도가 증가 할수록 짧아지는 특징을 가진다. 이러한 특징을 이용하여 도핑 농도를 계산할 수 있다. 희토류 이온이 도핑된 레이저 단결정의 Q 및 τo 는 물질과 여기 전자상태가 결정되면 정해지는 고유한 상수이고, 따라서, 형광 수명 τf 를 측정하면 도핑농도를 결정할 수 있다.
아래에서 종래 기술을 이용하여 도핑 농도를 구하는 방법과 본 발명의 실시예에 따라 도핑 농도를 구하는 방법을 비교해본다.
도 2는 종래 기술을 이용하여 측정한 시료의 광흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2에서 X축은 파장(wavelength)을 나타내고, Y축은 광흡수 정도(optical density)를 나타낸다.
서로 다른 도핑 농도를 갖는 Nd:YAG 결정에 대하여 수학식(2)를 이용해 종래 광흡수 측정법으로 Nd3 + 이온의 도핑 농도를 구하면 다음과 같다.
N = 2.3 * [OD/(d*λ)] 수학식(2)
OD: 광흡수 정도(optical density), d: 시료의 두께, λ: 이온의 absorption cross-section
시료의 두께를 0.31cm라 하고, 808nm 파장에서 Nd3 + 이온의 absorption cross-section은 7.7 x 1020 cm2 이다. 이때, N = 1.38 x 1020 cm-3이 1 at% Nd3 + 이온의 도핑 농도에 대응된다. 이를 바탕으로 Sample A와 Sample B 의 Nd3 + 이온의 도핑 농도를 계산하면 다음과 같다. 표 1은 수학식(2)로 산출된 Nd3 + 이온 도핑농도이다.
Sample A Sample B
도핑농도 1.16 at% 1.58 at%
시료 A,B 시편에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 측정 장치를 이용하여 808 nm 펌프광으로 시료를 여기 하여 Nd3 + 이온 형광(1064 nm)의 감쇠 역학을 측정하면 도 3과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치를 이용하여 측정한 시료의 형광 감쇠 역학(decay dynamics)을 나타내는 도면이다.
도 3에서 X축은 시간을 나타내고, Y축은 형광 강도(fluorescence intensity)를 나타낸다.
도 3의 측정 데이터를 선형 근사(linear fitting)하여 형광 수명을 구하면 표 2와 같다. 표 2는 Nd3 + 이온의 형광 수명(τf)을 나타낸다.
Sample A Sample B
형광 수명(μs) 124 111
소광 매개 변수(quenching parameter) Q는 물질에 의존하는 상수 값이다. 여기서는 Q를 1.33±0.01 x 1020 cm-3 라 하고, τo 는 형광소광(fluorescence quenching)이 없는 경우의 수명(lifetime) 값으로 260 μs을 사용한다. 이러한 방법으로 계산한 도핑농도는 다음과 같다. 표 3은 Nd3 + 이온 도핑농도를 나타낸다.
Cabs [at%] τf [μs] Q [ 1020 cm-3 ]
Sample A 1.16 124 1.32
Sample B 1.58 111 1.34
표 1과 표 3을 비교해보면, 종래 기술에 의해 계산한 도핑 농도와 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 수명 장치를 이용하여 계산한 도핑 농도가 동일함을 알 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 펌프 광원부
111, 113,…, 11k: 복수 개의 펌프 광원
130: 펌프광 제어부
150: 펌프광 결합기
170: 제1 다중모드 광섬유
200: 광 전달부
210: 아이솔레이터
230: 파장선택 반사필터
250: 제2 다중모드 광섬유
300: 수광부
310: 제3 다중모드 광섬유
330: 차단 필터
350: 포토다이오드
400: 형광 수명 측정부
410: 증폭기
430: A/D 컨버터
450: 신호분석부

Claims (11)

  1. 서로 다른 파장의 펌프광을 출력하는 복수 개의 펌프 광원;
    상기 복수 개의 펌프 광원에서 출력되는 펌프광을 결합하여, 제1 다중모드 광섬유(MultiMode Fiber, MMF)로 출력하는 펌프광 결합기;
    상기 펌프광 결합기로부터 입력 받은 펌프광을 전달하는 제1 다중모드 광섬유;
    상기 제1 다중모드 광섬유로부터 전달받은 펌프광은 투과하고, 상기 제1 다중모드 광섬유로 입력되는 광은 차단하는 광 아이솔레이터;
    상기 광 아이솔레이터를 투과한 펌프광은 투과하고, 시료에서 발생한 형광은 반사하는 파장선택 반사필터;
    상기 파장선택 반사필터를 투과한 펌프광을 상기 시료로 전달하고, 상기 시료에서 발생한 형광을 상기 파장선택 반사필터로 전달하는 제2 다중모드 광섬유;
    상기 파장선택 반사 필터에서 반사되는 형광을 전달하는 제3 다중모드 광섬유;
    상기 제3 다중모드 광섬유로부터 전달받은 형광에서 펌프광 파장을 흡수 혹은 반사하고, 남은 형광을 통과시키는 하는 차단 필터(cut-off filter);
    상기 차단 필터를 통과한 형광을 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(photodiode);
    상기 포토 다이오드에 인접하여 배치되고, 상기 포토다이오드의 전기 신호를 분석하여 상기 시료의 형광 수명을 측정하는 형광 수명 측정부;
    상기 제 1 내지 제 3 다중 모드 광섬유들 각각의 일측에 배치된 제 1 렌즈;
    상기 제 1 렌즈에 대향하여 상기 제 1 내지 제 3 다중 모드 광섬유들 각각의 타측에 배치된 제 2 렌즈를 포함하되,
    상기 형광 수명 측정부는:
    상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭기에 연결되어 상기 전기 신호의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D컨버터; 및
    상기 디지털 신호를 분석하여 형광 신호를 분석하는 신호분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형광 수명 측정부에서 측정한 형광 수명을 바탕으로 수학식(1)을 이용하여 상기 시료의 도핑 농도를 계산하는 도핑 농도 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
    C = Q [(τo/τf) -1]1/2 수학식(1)
    C : 도핑 농도, Q : 담금질 매개 변수(quenching parameter), τo : 비방사 에너지 전달 과정이 없는 경우의 여기 전자 상태 수명, τf : 형광소광(fluorescence quenching) 과정이 일어나는 특정 도핑 통도 조건에서 여기 전자 상태 수명
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 펌프 광원은,
    희토류 이온의 여기 전자 상태의 광흡수 피크 파장(peak wavelength)의 광을 출력하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 펌프 광원은,
    레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 펌프 광원을 제어하는 펌프광 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펌프광 제어부는,
    상기 복수 개의 펌프 광원이 펄스 모드(pulse mode)로 동작하고, 사각 펄스(square pulse) 및 특정 반복율(repetition rate)로 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펌프광 제어부는,
    측정 대상 형광의 수명 범위에 따라 상기 복수 개의 펌프 광원의 반복율과 펄스폭(pulse width)를 가변적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펌프광 결합기는,
    광도파로 기반 결합기(waveguide coupler) 또는 렌즈 조합을 이용한 free-space 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 수명 측정 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
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