KR19990045315A - 고-분해능, 콤팩트 캐비티내 레이저 분광계 - Google Patents

고-분해능, 콤팩트 캐비티내 레이저 분광계 Download PDF

Info

Publication number
KR19990045315A
KR19990045315A KR1019980049048A KR19980049048A KR19990045315A KR 19990045315 A KR19990045315 A KR 19990045315A KR 1019980049048 A KR1019980049048 A KR 1019980049048A KR 19980049048 A KR19980049048 A KR 19980049048A KR 19990045315 A KR19990045315 A KR 19990045315A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spectrometer
grating
laser
gratings
resolution
Prior art date
Application number
KR1019980049048A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100316847B1 (ko
Inventor
조오지 에이치 앳킨선
유 얀
Original Assignee
앳킨선 초오지 에이치
인노베이티브 레이저스 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 앳킨선 초오지 에이치, 인노베이티브 레이저스 코포레이션 filed Critical 앳킨선 초오지 에이치
Publication of KR19990045315A publication Critical patent/KR19990045315A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100316847B1 publication Critical patent/KR100316847B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/46—Measurement of colour; Colour measuring devices, e.g. colorimeters
    • G01J3/462—Computing operations in or between colour spaces; Colour management systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명에 따르면, 검출기에 의한 검출을 위해 도입 비임의 파장(λ)을 분산하는 고-분해능의 콤팩트한 분광계가 제공된다. 분광계는 (a) 상기 도입 비임이 통과하는 입구 슬릿과, (b) 입구 슬릿으로부터의 비임을 시준하는 제 1 미러와, (c) 많은 수(N1)의 그루브를 가지며, 시준된 비임을 분산하여 스펙트럼 세기 분포를 갖는 비임을 형성하는 제 1 반사 격자와, (d) 많은 수(N2)의 그루브를 가지며, 시준된 비임을 더욱 분산하는 제 2 반사 격자와, (e) 상기 시준 및 분산된 비임의 초점을 맞추는 제 2 미러를 포함하며, 상기 분광계는 실질적으로 대칭 구조이다. 분광계의 대칭 구조는 격자의 분해능과 분산을 2배로 증가시킨다. 컴팩트한 고 분해능 화상 분광계는 캐비티내 셀을 갖는 고 민감성 가스 센서내의 가스의 흡광선을 측정할 수 있다.

Description

고-분해능, 콤팩트 캐비티내 레이저 분광계
본 발명은 화상 분광계, 특히 캐비티내 레이저 분광법(intracavity laser spectroscopy: ILS)에 기초한 화상 분광계에 관한 것이다.
가장 간단한 형태의 레이저는 두 개의 미러 사이에 배치된 이득 매개물을 갖는 것으로 개략적으로 도시될 수 있다. 레이저 캐비티내의 빛은 미러 사이에서 전후방으로 반사되며, 이득 매개물을 통과할 때마다 광학 이득을 발생한다. 제 1 미러상의 미러 코팅은 전반사적이며, 제 2 미러상의 미러 코팅은 부분 반사적이므로 일부 빛이 레이저 캐비티로부터 빠져나가게 한다. 미러의 반사 표면 사이의 공간 영역은 레이저 공진기 또는 캐비티를 규정하며, 본 발명의 경우에 있어서 소위 "캐비티내 영역"으로 불리워진다.
레이저 출력의 세기는 이득 매개물이 작동하는 파장 영역과 공진기 소자의 반사율의 함수이다. 통상 이 출력은 광범위하며, 예리하고 이산적인 스펙트럼 특성을 가지지 않는다.
레이저 분광계를 통한 가스상 종(gaseous species) 예컨대, 원자, 분자, 래디컬 및 이온의 식별은 레이저 출력이 상기 종이 흡수하는 파장 영역에 있을 것이 요구된다. 가스상 종을 검출하는데 적용된 종래의 레이저에 있어서, 이온화 또는 형광과 같은 2차 신호를 발생하기 위해서 레이저 방사가 레이저의 외부에 있는 가스 샘플을 여기시키는데 사용된다. 또한, 종래의 흡광 분광계에 있어서, 레이저 광은 레이저의 외측에 위치되는 가스 샘플을 통과하며 파장에 따라 변화되는 감쇠가 모니터링된다.
약 20년 전, 또 다른 방법론 즉 캐비티내 레이저 분광계(ILS)가 처음 개발되었다; 예컨대 지 앳킨선(G. Atkinson), 에이 라우퍼(A. Laufer), 엠 쿠릴로(M. Kurylo)의 "캐비티내 색조 레이저 기술에 의한 자유 래디컬의 검출(Detection of Free Radicals by an Intracavity Dye Laser Technique)", Journal Of Chemical Physics, 59(1973. 7. 1)을 참조하기 바란다. ILS에 있어서, 레이저는 그 자체가 검출기로서 사용된다. 분석될 가스 샘플이 멀티모드의 균일하게 확장된 레이저의 광 캐비티속으로 삽입된다. 앳킨선 등은 광 캐비티 내측에 바닥 상태 또는 여기 상태로 가스상 분자, 원자, 래디컬 및/또는 이온을 배치함으로써, 레이저 출력이 변경될 수 있다는 것을 보여주었다. 특히, 캐비티내 종의 흡광 스펙트럼은 레이저 스펙트럼 출력내에 나타난다.
레이저 출력의 이산적 흡광 특징은 흡광하는 가스상 종에 의해서 유도되는 캐비티내 손실에 의해서 나타난다. (본 명세서에 사용된 바와 같이, 흡광 특징은 빛 세기 대 파장의 플롯에서 광 세기가 국부적으로 최소가 되는 일련의 연속 파장에 대응한다). 멀티모드 레이저에 있어서, 캐비티내 흡광 손실은 표준 모드 역학을 통한 레이저 이득에 필적한다. 결과적으로, 더 강한 캐비티내 흡광 특징이 레이저 이득에 대해 효과적으로 필적하는 파장에서 레이저 출력 세기의 감쇠가 관측될 수 있다. 흡광 특징이 더 셀수록 이들 파장에서의 레이저 출력 세기는 더 크게 감소한다.
레이저 공진기 내측에 흡광 가스상 종을 삽입함으로써, ILS는 종래의 분광법보다 향상된 검출 감도를 제공할 수 있다. ILS 기술의 향상된 검출 감도는 (1) 레이저 이득 매개물에 생성되는 이득과 (2) 흡광체 손실 사이의 비선형 경합으로부터 유도된다. 결과적으로, ILS는 약한 흡광 및/또는 극도로 적은 흡광체 농도 모두를 검출하는데 이용될 수 있다.
광학적 캐비티내의 각각의 가스상 종은 그 각각의 흡광 스펙트럼 또는 시그네이쳐(signature)에 의해서 독특하게 식별될 수 있다. 또한, 스펙트럼 시그네이쳐의 특정 흡광 특징의 세기가, 센서가 적절히 조정되는 경우 가스상 종의 농도를 결정하는데 사용될 수 있다. [본 명세서에 사용된 바와 같이, "스펙트럼 시그네이쳐(spectra signature)"란 용어는 가스상 종을 독특하게 식별하는 흡광 세기 또는 흡수도에 대해 플로팅된(plotted) 파장에 대응한다.]
가스상 종의 스펙트럼 시그네이쳐는 파장에 대해서 ILS 레이저의 출력을 분산시킴으로써 얻어질 수 있다. 두 개의 검출 계획(scheme)이 ILS 레이저의 출력을 분산시킴으로써 가스상 종의 스펙트럼 시그네이쳐를 얻는데 적용된다. ILS 레이저의 출력이 고정 파장, 분산성 분광계를 통과할 수 있으며, 이 분광계에 의해서 분해되는 특정 스펙트럼 영역이 멀티채널의 검출기를 사용하여 기록될 수 있다; 지 에이치 앳킨선 등에 의해서 1996년 7월 3일에 출원된 발명의 명칭이 "캐비티내 레이저 분광 분석을 통한 초감도 가스 검출용 다이오드 레이저-펌프형 레이저 시스템(Diode Laser-Pumped Laser System for Ultra-Sensitive Gas Detection via Intracavity Laser Spectroscopy)"인 미국 특허 출원 제 08/675,605 호를 참조하기 바란다. 변형예로서, 파장으로 스캔닝될 수 있는 분광계가 단일 채널 검출기 등으로 기록되는 상이한 스펙트럼 영역을 선택적으로 분해할 수 있도록 채용될 수 있다.
종래의 ILS 검출 시스템은 검출될 캐비티내 종의 흡광 스펙트럼의 흡광 특성의 대역폭에 비해 실질적으로 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저를 채용한다; 지 에이치 앳킨선 등에 의해서 1997년 11월 18일에 특허된 발명의 명칭이 "오염물의 고감도 검출용 캐비티내 레이저 분광계"인 미국 특허 제 5,689,334 호를 참조하기 바란다. 특히, 레이저 시스템은 가스상 종의 흡광 특징이 모니터링되는 넓이의 적어도 3배인 작동 파장 대역폭을 가진다.
그러나, ILS를 실시하는 종래의 방법은 실험실에서 성공적으로 실시되지만, 많은 상업적 응용에 대해서는 너무 크며 복잡하다. 특히, 분광계가 레이저의 스펙트럼 출력을 분산시키기 위한 조건 뿐만 아니라, 컴퓨터가 흡광 특징을 분석하기 위한 조건이 검출 시스템의 크기와 복잡성에 부가된다. 대조적으로, 상업적 실현 제한조건은 가스 검출기가 편리한 크기이며 비교적 저렴하고 신뢰성 있을 것을 요구한다.
따라서, ILS 실시용 고분해능의, 콤팩트한 분광계가 요구된다.
본 발명에 따르면, 고-분해능의, 콤팩트한 캐비티내 레이저 분광계가 제공된다. "고-분해능"이란 약 50,000분의 1 이하의 분광계의 분해능을 의미한다. 검출기에 의한 검출을 위해 도입 비임의 파장(λ)을 분산하는 분광계는,
(a) 분광계의 개구수(numerical aperture)와 정합하는 초점 렌즈와,
(b) 도입 비임이 통과하는 입구 슬릿과,
(c) 입구 슬릿으로부터의 비임을 시준하는 제 1 미러와,
(d) 많은 수(N1)의 그루브를 가지며, 시준된 비임을 분산하여 스펙트럼 세기 분포를 갖는 비임을 형성하는 제 1 반사 격자와,
(e) 많은 수(N2)의 그루브를 가지며, 시준된 비임을 더욱 분산하는 제 2반사 격자와,
(f) 시준 및 분산된 비임을 집광하는 제 2 미러를 포함하며, 이 분광계는 기본적으로 대칭적인 구조를 가진다.
본 발명에 따른 분광계는 선형 광다이오드 어레이에 관련하여 특히 유용하다.
분광계의 대칭 구조는 격자의 분해와 분산을 2배로 한다. 콤팩트한 고-분해능 화상 분광계는 캐비티내 셀을 갖는 고감도 가스 센서의 가스의 흡광선을 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면을 참고로 고려될 때 분명해질 것이며, 동일한 참조 부호는 도면 전체에서 동일한 특징부를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 분광계를 채용하는 검출기 시스템의 개략적인 블록 다이아그램,
도 2는 두 개의 반사 격자를 사용한, 본 발명에 따른 분광계의 개략적인 다이아그램,
도 3은 분광계에 대칭성을 제공하는 반사 격자의 각도 조건을 도시하는, 본 발명에 따른 분광계의 개략적인 다이아그램,
도 4는 두 개 이상의 반사 격자를 채용할 때 각도 조건을 도시하는, 본 발명에 따른 분광계의 개략적인 다이아그램.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 가스 검출 시스템 12 : 펌핑 레이저
14 : 캐비티내 레이저 분광 분석(ILS) 레이저
16 : 분광계 20 : 출구 슬릿
22 : 공간 간섭성 비임 24 : 시준 미러
26 : 제 1 반사 격자 28 : 제 2 반사 격자
상세한 설명부에 언급된 도면은 특정의 스케일로 도시되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
본 발명자가 본 발명의 실시를 위한 가장 바람직한 방법이라고 생각한 본 발명의 특정 실시예에 대해 이하에 상세히 설명한다. 적용가능한 변형예가 또한 간략하게 기재되어 있다.
이제 도 1을 참조하면, 가스 검출 시스템(10)은 펌핑 레이저(12)와, 캐비티내 레이저 분광 분석(ILS) 레이저 및 관련 챔버(14)와, 분광계(16)와, 관련 전자소자(예컨대, 컴퓨터, 디지털 전자소자 등)를 갖는 검출기(18)를 포함한다. 가스 검출기 시스템(10)은 다른 문헌에 상세히 설명되어 있다. 1997년 11월 18일 특허된 미국 특허 제 5,689,334 호를 참조하기 바란다.
본 발명에 따르면, 분광계(16)는 화상 분광계이며 두 개의 오목한 미러와, 두 개의 평면 반사 격자와, 입구 슬릿을 채용한다. 바람직하게는, 선형 광다이오드 어레이가 검출기(18)로 사용된다. 도 2는 본 발명의 화상 분광계(16)를 도시한다. 분광계(16)는 입구 슬릿(20)을 포함하며 입구 슬릿(20)을 통해 공간 간섭성 비임(spartially coherant beam)이 분광계로 도입된다. 공간 간섭성 비임(22)은 ILS 레이저(14)로부터 나오며, 입구 슬릿(20)을 통과하기 전에 렌즈(19)를 통과한다. 분광계(16)는 분광계의 초점거리와 정지 구멍 사이의 비로 정의되는 f-치에 비례하는 스폿 크기를 갖는 회절-제한 화상을 제공한다. 분광계(16)의 입구 슬릿(20)으로 도입되는 레이저 광(22)을 화상화하기 위해서, 렌즈(19)는 분광계의 f-치와 실질적으로 동일한 f-치를 갖는다.
비임(22)은 오목한 시준 미러(24)상에 충돌하며, 여기서 비임이 시준되고 제 1 반사 격자(26)로 지향되며, 제 1 반사 격자(26)에서 파장이 분산된다. 간략성을 위해서, 비임(22)의 시준이 도시되지 않았다. 제 1 반사 격자(26)로부터, 비임(22)이 제 2 반사 격자(28)로 지향되는데 여기서 파장은 더욱 분산되어, 역시 오목형일 수 있는 초점 미러(30)로 지향된다. 제 2 격자(28)는 제 2 격자의 관심의 대상이 되는 파장의 회절각도가 제 1 격자(26)에서의 파장의 입사각과 실질적으로 동일하도록 설정된다. 초점 미러(30)는 평면(32)상에 비임(22)의 초점을 맞추며, 평면(32)은 출구 슬릿(도시안함) 또는 검출기(18)일 수 있으며, 여기서 비임이 분석된다. 광검출기 어레이가 검출기(18)로서 적절히 채용된다. 화상 분광계(16)는 이하에서 더 충분히 설명하는 바와 같이, 대칭 구조를 가진다.
두 개의 격자(26, 28)의 분해능은 ∂λ=λ/m(N1+N2)로 주어지는데, 여기서 λ는 관심 대상의 파장이며, m은 회절도이고, N1과 N2은 각각 제 1 및 제 2 격자(26, 28)의 그루브 수이다.
대칭적인 경우에 있어서, N1=N2이며, 상기 방정식은 ∂λ=λ/2mN으로 된다.
화상 분광계(16)의 분해능은 일반적으로 격자(26, 28) 뿐만 아니라, 입구 슬릿(20)의 크기와 위치, 검출기 픽셀 구멍, 및 화상 광학계(24, 30)의 수차에 의존한다. 두 개의 격자(26, 28)는 단일 격자에 비해 증가된 분해능을 제공한다. 고분해능은 분광계(16)를 대칭이 되게 함으로써 얻어진다.
두 개의 격자(26, 28)의 분산은 ∂β2/∂λ = (cosα2+ cosβ1 /cosβ2·cosβ1)mg으로 주어지는데, 예기서 αi는 입사각이며, βi는 격자의 회절각도이며, g는 격자의 그루브 빈도[㎜당 그루브의 수(N)]이며, m은 회절도이다.
대칭적인 경우에 있어서, α2= β1, β2= α1이며, 상기 방정식은 ∂β2/∂λ = 2mg/cosβ2로 된다.
입사 각도 및 회절 각도는 이하에 설명하는 바와 같이, 도 3에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 콤팩트한 화상 분광계(16)는 두 개의 격자(26, 28)의 이중 분산에 의해 초래된다.
도 3은 서로 이격되어 각을 이루는 관계의 두 개의 격자(26, 28)를 도시하는, 분광계(16)의 개략도로, 도입 비임(22)이 제 1 격자(26)상에 충돌하며 방출 비임(22')이 제 2 격자(28)로부터 방출된다. 임의의 수의 격자에 대한 분광계(16)의 대칭은 이하의 조건으로부터 도출된다:
αn-1= βn
βn-1=αn
격자의 총 개수가 짝수인 경우,
βeven >αeven
βodd <αodd
격자의 총 개수가 홀수인 경우,
βeven <αeven
βodd >αodd
분광계(16)에 도입되는 비임(22) 소오스는 ILS 레이저(14)로서, 공간 간섭성 비임(고 강도, 폭이 좁은 비임)을 제공한다. 공간 간섭성 비임의 사용은 대부분의 분광계에 의해서 분석되는 공간 비간섭성 비임과 직접적으로 대조적이다.
두 개의 격자(26, 28)가 도 1에 도시되어 있지만, 두 개 이상의 격자가 사용될 수 있다. 복수개의 격자의 이용은 출구 평면(32)[예컨대, 출구 슬릿 또는 광 검출기(18)]을 향해 분광계(16)를 빠져 나가는 비임(22)의 파장 분산을 증가시킨다. 도 4는 4개의 회절 격자(26, 28, 34, 36)을 갖는 분광계(16)를 도시한다.
분광계(16)의 대칭적인 구성으로 인하여, 이하에 설명하는 바와 같이, 격자의 수는 4, 6, 8로 증가될 수 있으며 분해능 및 분산이 44/2, 26/2, 28/2, ......배로 증가한다.
또한, 분광계 격자(26, 28)는 모두 고정되므로, 스캔닝되지 않는다. 이 격자(26, 28)가 스캔닝되지 않기 때문에, 모터가 필요하지 않으므로 분광계(16)가 더욱 단순화되어 그 크기가 감소된다.
격자(26)에 입사되는 비임(22)은 그레이징 입사(grazing incidence)로 적용되므로 격자 전체를 충전한다. 격자 전체를 사용하면 파장 분해능이 향상된다. 분해능은 격자의 그루브 수(N)와 함께 증가되지만, 비임이 격자의 일부분에 입사되지 않는다면, 이들 그루브는 비임을 회절시킬 때 사용되지 않는다. 따라서, 격자를 충전하는 것은 격자가 제공할 수 있는 잠재적인 분산을 이용하는 데 중요하다.
분해능은 입구 슬릿(20), 격자(26, 28)의 분산, 선형의 검출기 어레이(18)의 출구 슬릿 또는 픽셀의 폭의 상승정리(convolution)에 의해서 결정된다.
본 발명에 따른 분광계(16)에 있어서, 격자(26, 28)는 1의 전체 배율을 갖는 텔레스코프 또는 비임 확장자로서 역할을 한다. 제 2 미러(30)는 제 2 격자(28)로부터 회절되는 분산된 비임(22)의 초점을 맞춘다. 이 관계에 있어서, 분광계(16)를 빠져나오는 비임은 분광계의 구성의 결과로서 선형 평면(32)으로 안내된다. 선형 광다이오드 어레이(18)는 동시에 비임(22)의 스펙트럼 세기 분포를 검출하는데 사용된다. 선형 광다이오드 어레이(18)는 단색 분광계용 임의의 단일 채널 검출기일 수 있다.
분광계(16)의 대칭 구조 때문에, 두 개의 격자가 1X의 배율을 갖는 망원경으로서 작동한다. 시준 미러(24)의 개구수(또는 f-치)는 초점 미러(30)의 개구수와 동일하며 몇 개의 격자가 사용되는 가는 상관없다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "실질적으로 대칭적인"이란 용어는 실시되는 대칭이 본 발명의 공학적 능력을 달성할 수 있을 만큼 양호하다는 것을 의미한다. 완전한 대칭은 현재로서는 완전히 달성될 수 없다는 것을 인식할 수 있다. 그러나, 본 명세서에 개시된 바와 같이 실질적으로 대칭인 요소를 채용하면, 가능한 높은 정도의 분해능과 컴팩트를 제공할 것이다.
본 발명의 컴팩트하고 고분해능의 화상 분광계(16)는 캐비티내 셸을 갖는 고 감도 가스 센서에 대한 흡광선을 측정할 수 있다.
가장 중요한 장점은 격자(26, 28)의 분해능과 분산을 2배로 하는 화상 분광계(16)의 대칭적인 구조에 있다.
도면으로부터 자명한 바와 같이, 미러(24, 30)는 격자(26, 28)와 미러 사이에서 비임(22)을 절곡시킨다. 비임(22)을 절곡시킴으로써 본 발명에 따른 고 분해능 화상 분광계(16)의 크기는 컴팩트하게 한다.
고 분해능의 분광계(16)의 대칭적인 격자 구성은, 캐비티내 셀을 갖는 고 감도 가스 센서를 사용하여 가스의 흡광선을 측정하기 위한 ILS 시스템에 유용하다. 또한, 대칭적인 격자 구성은 간섭성 레이저에 고분산을 제공할 수 있으며, 좁은 범위내에서 약간의 조율성(tunibility)을 제공한다.
따라서, 고-분해능의, 컴팩트한 캐비티내 레이저 분광계가 개시된다. 당해 기술 분야의 숙련자들에게는 본 명세서에 개시된 구성요소의 구성 및 배열에 다양한 변형이 행해질 수 있음이 쉽게 인식될 것이며, 이러한 모든 변경과 변형은 첨부된 청구범위에 의해서 정의되는 본 발명의 범위안에 해당되는 것으로 간주된다.
본 발명에 따르면, 선형 광다이오드 어레이에 관련하여 특히 유용하게 사용되며, 그 대칭 구조로 인하여 격자의 분해와 분산을 2배로 하고, 캐비티내 셀을 갖는 고 감도 가스 센서의 가스의 흡광선을 측정할 수 있는 콤팩트한 고-분해능 화상처리 분광계를 제공한다.

Claims (16)

  1. 검출기에 의한 검출을 위해 도입 비임의 파장(λ)을 분산하는 분광계에 있어서,
    (a) 상기 도입 비임이 통과하는 입구 슬릿과,
    (b) 입구 슬릿으로부터의 비임을 시준하는 제 1 미러와,
    (c) 많은 수(N1)의 그루브를 가지며, 상기 시준된 비임을 분산하여 스펙트럼 세기 분포를 갖는 비임을 형성하는 제 1 반사 격자와,
    (d) 많은 수(N2)의 그루브를 가지며, 상기 시준된 비임을 더욱 분산하는 제 2 반사 격자와,
    (e) 상기 시준 및 분산된 비임의 초점을 맞추는 제 2 미러를 포함하며, 상기 분광계는 실질적으로 대칭 구조인 분광계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    개구수(numerical aperture)를 가지며, 상기 개구수와 정합하는 초점렌즈를 더 포함하는 분광계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 반사 격자와 상기 제 2 미러 사이에 적어도 하나의 부가의 반사 격자를 더 포함하는 분광계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비임의 초점이 모아지는 출구 평면을 더 가지는 분광계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출구 평면은 출구 슬릿을 포함하는 분광계.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 출구 평면은 광다이오드 검출기 어레이를 포함하는 분광계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광다이오드 검출기 어레이는 상기 비임의 상기 스펙트럼 세기 분포의 검출을 동시에 허용하도록 선형인 분광계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 광다이오드 어레이는 단색 분광계용 단일 채널 검출기를 포함하는 분광계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 분광계는 ∂λ=λ/m(N1+N2)으로 주어지는 관심 대상의 파장(λ)에 대한 분해능을 제공하며, 여기서 각각의 상기 격자는 회절도와 다수의 그루브를 가지며, m은 회절도, N1과 N2은 각각 제 1 및 제 2 격자의 그루브 수인 분광계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 대칭 구조는 ∂λ=λ/2mN을 제공하며, 여기서 N1=N2인 분광계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 두 개의 격자는 ∂β2/∂λ = (cosα2+ cosβ1 /cosβ2·cosβ1)mg으로 주어지는 분산을 가지며, 각각의 상기 격자는 (1) 충돌하는 빛의 입사각과 회절되는 빛의 회절각, (2) 선형 측정 단위당 그루브의 수로 나타나는 그루브 빈도 및 (3) 회절도를 가지며, 여기서 α는 입사각이며 β는 격자의 회절각이며, g는 격자의 그루브 빈도이며, m은 회절도인 분광계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 대칭 구조는 ∂β2/∂λ = 2mg/cosβ2을 제공하며, 여기서 β2는 상기 제 2 반사 격자의 회절 각도인 분광계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 대칭 구조는 αn-1= βn, βn-1=αn으로부터 유도되는 분광계.
  14. 제 13 항에 있어서,
    격자의 총 개수가 짝수인 경우,
    βeven >αeven
    βodd <αodd
    이며, 격자의 총 개수가 홀수인 경우,
    βeven <αeven
    βodd >αodd
    인 분광계.
  15. 제 1 항에 있어서,
    가스의 흡광선을 측정하기 위한 캐비티내 분광계로 사용되는 분광계.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 도입 비임은 공간 간섭성인 분광계.
KR1019980049048A 1997-11-17 1998-11-16 고-분해능콤팩트캐비티내레이저분광계 KR100316847B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/971,525 US6151112A (en) 1997-11-17 1997-11-17 High-resolution, compact intracavity laser spectrometer
US08/971,525 1997-11-17
US8/971,525 1997-11-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990045315A true KR19990045315A (ko) 1999-06-25
KR100316847B1 KR100316847B1 (ko) 2002-04-24

Family

ID=25518513

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980049048A KR100316847B1 (ko) 1997-11-17 1998-11-16 고-분해능콤팩트캐비티내레이저분광계

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6151112A (ko)
EP (1) EP0916933A1 (ko)
JP (1) JPH11218444A (ko)
KR (1) KR100316847B1 (ko)
CN (1) CN1089894C (ko)
CA (1) CA2253523C (ko)
SG (1) SG77655A1 (ko)
TW (1) TW479134B (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8446583B2 (en) 2009-04-30 2013-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Light focusing unit and spectrum measuring apparatus having the same

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6583874B1 (en) * 1999-10-18 2003-06-24 Komatsu, Ltd. Spectrometer with holographic and echelle gratings
US6480275B2 (en) * 2001-01-29 2002-11-12 Cymer, Inc. High resolution etalon-grating monochromator
US6603549B2 (en) * 2000-02-25 2003-08-05 Cymer, Inc. Convolution method for measuring laser bandwidth
US6597452B1 (en) * 2000-11-17 2003-07-22 Jobin Yvon, Inc. Compact littrow-type scanning spectrometer
US6538737B2 (en) * 2001-01-29 2003-03-25 Cymer, Inc. High resolution etalon-grating spectrometer
US6587198B2 (en) * 2001-03-02 2003-07-01 Michael Cohnitz Olshausen Compact, solar spectrometer with sub-one-third angstrom resolution, faint-light compensation, and infrared and ultraviolet suppression
DE10119618A1 (de) * 2001-04-21 2002-10-24 Univ Konstanz Optischer Mikro-Gassensor
US7315371B2 (en) * 2004-01-23 2008-01-01 P&P Optica Inc. Multi-channel spectrum analyzer
US7817274B2 (en) 2007-10-05 2010-10-19 Jingyun Zhang Compact spectrometer
WO2009070459A1 (en) 2007-11-30 2009-06-04 Jingyun Zhang Miniature spectrometers working with cellular phones and other portable electronic devices
US7808640B2 (en) * 2008-07-30 2010-10-05 Honeywell International Inc. Photoacoustic spectroscopy system
CN101776518B (zh) * 2010-01-12 2012-02-22 浙江师范大学 检测光学器件光谱特性的方法及装置
US8736836B2 (en) 2010-09-13 2014-05-27 Lawrence Livermore National Security, Llc. Echelle grating multi-order imaging spectrometer utilizing a catadioptric lens
CN103411884B (zh) * 2013-07-03 2016-05-11 华北水利水电大学 一种参比透射色散敏感谱线检测装置
DE102016225344A1 (de) * 2016-12-16 2018-06-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System zur Analyse von elektromagnetischer Strahlung und Bauelement zur Herstellung desselben
ES2738912B2 (es) * 2018-07-25 2020-10-30 Fund Cener Ciemat Sistema de medida en tiempo real de la atenuacion atmosferica de una radiacion electromagnetica de al menos una fuente y metodo de medida
CN112864785B (zh) * 2021-01-26 2022-03-29 西安电子科技大学 一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统
CN114942081B (zh) * 2022-07-25 2022-10-28 苏州联讯仪器有限公司 一种光波长测量方法及系统

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4070111A (en) * 1976-06-10 1978-01-24 Nicolas James Harrick Rapid scan spectrophotometer
FI75047C (sv) * 1982-05-11 1988-04-11 Scanoptics Oy Anordning för utförande av spektralanalys.
JPS60207018A (ja) * 1984-03-30 1985-10-18 Shimadzu Corp モノクロメ−タ
CA1229897A (en) * 1984-12-03 1987-12-01 Gilbert M. Levy Optics system for emission spectrometer
US4807991A (en) * 1986-04-07 1989-02-28 Electro-Organic Company Method of inspecting and repairing a structural defect in the surface of an object
US5305082A (en) * 1992-01-08 1994-04-19 Chromax, Inc. High spatial resolution imaging spectrograph
FR2687471B1 (fr) * 1992-02-18 1994-07-01 Centre Nat Rech Scient Dispositif de spectrographie.
US5579106A (en) * 1995-02-21 1996-11-26 Oriel Corporation Method and apparatus for providing astigmatism-reduced images with spectroscopic instruments
US5565983A (en) * 1995-05-26 1996-10-15 The Perkin-Elmer Corporation Optical spectrometer for detecting spectra in separate ranges
US5689334A (en) * 1995-09-01 1997-11-18 Innovative Lasers Corporation Intracavity laser spectroscope for high sensitivity detection of contaminants
US5723864A (en) * 1995-09-01 1998-03-03 Innovative Lasers Corporation Linear cavity laser system for ultra-sensitive gas detection via intracavity laser spectroscopy (ILS)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8446583B2 (en) 2009-04-30 2013-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Light focusing unit and spectrum measuring apparatus having the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP0916933A1 (en) 1999-05-19
CA2253523A1 (en) 1999-05-17
TW479134B (en) 2002-03-11
SG77655A1 (en) 2001-01-16
CA2253523C (en) 2001-11-06
JPH11218444A (ja) 1999-08-10
KR100316847B1 (ko) 2002-04-24
CN1217466A (zh) 1999-05-26
CN1089894C (zh) 2002-08-28
US6151112A (en) 2000-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100316847B1 (ko) 고-분해능콤팩트캐비티내레이저분광계
US7898656B2 (en) Apparatus and method for cross axis parallel spectroscopy
EP0498644B1 (en) High sensitive multi-wavelength spectral analyzer
US8693004B2 (en) Dual-etalon cavity ring-down frequency-comb spectroscopy with broad band light source
KR100401035B1 (ko) 기체 검출 시스템 및 기체 종의 특정 농도의 검출 방법
JP6513697B2 (ja) 光干渉デバイス
US6204919B1 (en) Double beam spectrometer
US20120262713A1 (en) Spectrometer arrangement
US6307626B1 (en) Dispersive atomic vapor raman filter
US6208413B1 (en) Hadamard spectrometer
EP3748339B1 (en) Device for gas analysis using raman spectroscopy
JPH11132848A (ja) マルチパス分光計
US7061609B2 (en) Measuring wavelength change
US20070064230A1 (en) Broadband laser spectroscopy
CN110632058B (zh) 一种用于拉曼光谱分析的小型分光装置
US10760968B2 (en) Spectrometric measuring device
Chen et al. An ultrahigh-resolution spectrometer using parallel double gratings
KR20010090738A (ko) 가스 검출 시스템 및 가스 샘플의 기체 종의 특정 농도존재 검출 방법
US7515262B2 (en) Crystal grating apparatus
KR20010090739A (ko) 가스 검출 시스템 및 가스 샘플 기체 종의 특정 농도 존재검출 방법
JPS63308543A (ja) 散乱光測光装置
SU979885A1 (ru) Устройство дл лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа
Gaertner et al. Dispersive methods
Gilby et al. Optical design of a new photodiode-array absorbance detector for high-performance liquid chromatography
JP3298800B2 (ja) 戻り光遮断用光源装置及びガス分析装置並びに戻り光遮断方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee