KR20010090739A

KR20010090739A - 가스 검출 시스템 및 가스 샘플 기체 종의 특정 농도 존재검출 방법

Info

Publication number: KR20010090739A
Application number: KR1020017004085A
Authority: KR
Inventors: 엣킨슨죠오지에이치; 필그림제프리에스
Original assignee: 추후기재; 이노베티브 레이저스 코포레이션
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-10-19
Also published as: CN1154842C; CA2346050A1; US5991032A; WO2000020845A1; CN1329718A; TW504572B; JP2002526766A; EP1129335A4; EP1129335A1

Abstract

가스 샘플의 교정 범위내에서 기체 종의 특정 농도 존재를 검출하는 방법 및 장치가 설명된다. 본 발명의 ILS 가스 검출 시스템(10)은 단순히 ILS 레이저(12) 및 광학 검출기(16)를 포함한다. 그러나, ILS 레이저(12)의 잠재적인 또는 동작가능한 파장 대역폭은 바람직하게 흡수 대역 또는 감시되는 내부공동(intracavity) 기체 종에 할당된 영역중 한 개내에 완전히 포함된다. 따라서, 교정 범위내에서, 기체 종의 존재는 ILS 레이저(12)의 출력 레이저 강도를 변경시킨다. 결과적으로, 본 발명의 ILS 레이저 방법을 사용할 때 흡수하는 기체 종의 농도를 정량적으로 결정하기 위해 ILS 레이저(12)의 출력 강도만을 감시할 필요가 있다.

Description

가스 검출 시스템 및 가스 샘플 기체 종의 특정 농도 존재 검출 방법{CONTAMINANT IDENTIFICATION AND CONCENTRATION DETERMINATION BY MONITORING THE INTENSITY OF THE OUTPUT OF AN INTRACAVITY LASER}

관련 출원

본 출원은 동일한 날짜로 제출된 출원 번호 제 09/166,003 호에 관련된다. 상기 출원은 센서의 스펙트럼 출력 변화 측정용 파장 선택 소자를 갖는 ILS 레이저를 사용하여 가스 샘플에서 기체 종의 특정 농도 존재를 검출하는 방법에 관한 것이다. 본 출원은, 기체 종 농도를 측정하는데 전체 레이저 출력 강도가 사용되는, 어떠한 파장 선택 소자도 없이 ILS 레이저 사용에 관한 것이다.

가장 단순한 형태의 레이저는 2개의 거울사이에 위치하는 이득 매체를 포함하는 것으로서 개략적으로 도시될 수 있다. 레이저 공동내의 광은 상기 거울사이에서 앞뒤로 반사되고, 이득 매체를 통과할 때마다, 광학 이득을 발생시킨다. 제 1 거울상의 거울 코팅은 전 반사일 수도 있는 반면, 제 2 거울상의 거울 코팅은 부분 반사일 수 있고, 이에따라 일부 광이 레이저 공동으로부터 벗어날 수 있다. 거울의 반사면간의 공간 영역은 레이저 공진기 또는 공동을 한정하며, 본 발명의 문맥에서 소위 "내부공동 (intracavity) 영역"에 관련된다.

레이저 출력의 강도는 이득 매체가 동작하는 파장 영역 및 공진기 소자의 반사율의 함수이다. 보통 이 출력은 넓으며 날카롭지 않고 명백히 스펙트럼 특성을 나타낸다.

레이저 분광법에 의해 기체 종, 예를 들어, 원자, 분자, 기, 또는 이온을 식별할 때에는 레이저 출력이 종이 흡수되는 파장 영역내에 존재해야 한다. 기체 종 검출에 대한 종래의 레이저 응용에서, 이온화 또는 형광과 같은 2차 신호를 발생하기 위해 레이저 방사는 레이저의 외부에 있는 가스 샘플을 여기하는데 사용된다. 대체하여, 종래의 흡수 분광법에서, 레이저 광은 레이저의 외부에 위치하는 가스 샘플을 통과하며 파장에 따라 변하는 감쇠가 감시된다.

20년 전에, 다른 검출 방법으로서, 내부공동 레이저 분광법(ILS)이 처음 개발되었다. G.Atkinson et al 의 "Detection of Free Radicals by an Intracavity Dye Laser Technique" Journal Of Chemical Physics 59권 페이지 350 - 354(1873년 7월 1일)를 참조할 수 있다. ILS 에서, 레이저 자체는 검출기로서 사용된다. 분석되는 가스 샘플은 다중모드이며 동질성으로 넓혀진 레이저의 광학 공동으로 삽입된다. 바닥 상태 또는 여기된 상태에서의 기체 분자, 원자, 기, 및/또는 이온을 광학 공동내에 배치함으로써, 레이저 출력이 변경될 수 있음을, 상기한 Atkinson et al 는 보여주었다. 특히, 내부 공동 종의 흡수 스펙트럼은 레이저의 스펙트럼 출력에서 나타난다.

레이저 출력에서의 명백한 흡수 특성은 흡수하는 기체 종에 의해 도입된 내부 공동 손실로부터 발생한다. (여기서 사용되는 바와 같이, 흡수 특성은 광 감도 대 파장의 도면에서 광 감도가 광 강도의 단일 로컬 최소값에 도달하는 일련의 연속적인 파장에 상응한다.) 다중모드 레이저에서, 내부공동 흡수 손실은 정상 모드 동역학을 통한 레이저 이득과 경쟁된다. 그 결과, 보다 강력한 내부공동 흡수 특성이 레이저의 이득에 대하여 효과적으로 경쟁하는 파장에서 레이저 출력 강도에서의 감쇠가 관측될 수 있다. 흡수 특성이 보다 강해질수록, 이러한 파장에서의 레이저 출력 강도는 더 크게 감소된다.

흡수하는 기체 종을 레이저 공진기내에 삽입함으로써, ILS 는 종래의 분광법에 대하여 향상된 검출 감도를 제공할 수 있다. ILS 의 향상된 검출 감도는 (1) 레이저 이득 매체에서 발생된 이득과 (2) 흡수기 손실 간의 비선형 경쟁으로부터 유도된다. 그 결과, ILS 는 약한 흡수 및/또는 매우 작은 흡수기 농도를 검출하는데 이용될 수 있다.

광학 공동에서의 각 기체 종은 자신의 흡수 스펙트럼 또는 서명에 의해 독특하게 식별될 수 있다. 또한, 센서가 일단 적절히 교정된다면 특정한 흡수 특성의 강도 또는 스펫트럼 서명의 특성이 사용되어 기체 종의 농도를 측정할 수 있다(여기서, 스펙트럼 서명은 독특하게 기체 종을 식별하는 흡수 강도 즉 흡광도에 대하여 도시된 파장에 상응한다).

기체 종의 스펙트럼 서명은 파장에 대하여 ILS 레이저의 출력을 분산함으로써 얻을 수 있다. ILS 레이저 출력을 분산하기 위해 2개의 검출 기술이 특히 사용되고 이에따라 기체 종의 스펙트럼 서명을 얻는다. ILS 레이저의 출력은 고정된 파장의 분산 분광계를 통해 통과할 수 있고, 이러한 분광계에 의해 분해되는 특정한 스펙트럼 영역은 다중 채널 검출기를 사용하여 기록될 수 있다. G.H Atkinson et al 의 "Diode Laser-Pumped Laser System for Ultra-sensitive Gas Detection via Intracavity Laser Spectroscopy (ILS) " 라는 명칭의 미국특허번호 제 5,747,807 호를 참조한다. 대체하여, 파장으로 스캐닝될 수 있는 분광계가 사용되어 한 개의 상기한 채널 검출기로 기록되는 상이한 스펙트럼 영역을 선택적으로 분해할 수 있다.

종래 기술의 ILS 검출 시스템은 검출되는 내부공동 종의 흡수 스펙트럼에서 흡수 특성의 대역폭에 비하여 실질적으로 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저를 이용한다. G.H Atkinson et al 의 "Intracavity Laser Spectroscope for High Sensitivity Detection of Contaminants" 라는 명칭의 미국특허번호 5,689,334 호를 참조한다. 특히, 레이저 시스템은 감시되는 기체 종의 흡수 특성보다 적어도 3배 넓은 동작가능한 파장 대역폭을 갖는다.

그러나, 종래 기술의 ILS 수행 방법은 실험실에서 성공적으로 논증되었지만, 많은 상업용으로는 너무 방대하며 복잡하다. 특히, 흡수 특성을 분석하기 위한 컴퓨터 뿐만 아니라 레이저의 스펙트럼 출력을 분산하기 위한 분광계가 필요하기에 검출 시스템이 복잡해지며 커지게 된다. 대조하여, 상업적으로 실현가능성있기 위해서는 기체 검출기가 편리하게 크기조절될 수 있으며, 비교적 값싸고, 신뢰성있어야 한다.

따라서, 예를 들어, 분광계 및 컴퓨터를 제거함으로써, (1) ILS 측정의 복잡성 및 (2) ILS 계측 크기를 명백히 줄이는 방법이 필요하다.

발명의 개요

본 발명에 따라, 기체 종의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법이 설명된다. 본 방법은, (a) 기체 종이 연속 파장의 적어도 한 개 대역내에서 광을 흡수하는지를 측정하고 교정된 범위내에서 기체 종의 농도를 측정하는 단계, (b) (i) 레이저 공동, 및 (ii) 이득 매체를 포함하는 ILS 레이저를 제공하는 단계, (c) 이득 매체로부터의 출력 빔이 레이저 공동을 벗어나기 전에, 레이저 공동에 포함되는 가스 샘플을 통하도록 이득 매체를 위치시키는 단계, 및 (d) 상기 ILS 레이저에 존재하는 출력 강도를 검출하여 절대 출력 전력 또는 상기 ILS 레이저 출력 전력에서의 상대 변화를 정량화하도록 검출기를 위치시키는 단계를 포함하며, ILS 레이저는 기체 종이 흡수하는 연속 파장의 대역내에 완전히 포함되는 파장에서만 동작하도록 구성되고, 기체 종에 의해 유도되는 흡수는 교정된 범위내에서 레이저의 전체 출력 강도를 변경하기에 충분히 크다.

또한, 교정된 범위내에서 가스 샘플의 기체 종의 특정 농도의 존재를 검출하는 가스 검출 시스템이 제공되며 기체 종은 연속 파장의 적어도 한 개내에서 광을 흡수하고 이에따라 존재하는 ILS 레이저의 출력 강도를 특정량만큼 변경한다. 가스 검출 시스템은, (a) (i) 레이저 공동과 (ii) 이득 매체를 포함하는 ILS 레이저, (b) 레이저 공동에 가스 샘플을 포함하고, 이득 매체로부터 방출되는 출력 빔이 레이저 공동을 벗어나기 전에 가스 샘플을 통과하게 하는, 컨테이너, 및 (c) 절대 레이저 출력 전력 또는 최종 출력 전력에서의 상대 변화의 양을 정하는 검출기를 포함하고, 기체 종에 의해 유도되는 흡수가 교정 범위내에서 레이저의 전체 출력 강도를 변경하기에 충분히 크며 기체 종이 흡수하는, 연속 파장의 적어도 한 개의 대역내에 완전히 포함되는 파장에서만 동작하도록 ILS 레이저가 구성된다.

본 발명에 따라, 본 발명의 발명자는 종래 기술에서의 어떠한 ILS 레이저 시스템보다도 제조시에 보다 소형이고, 간단하며, 덜 비싼 상업용 오염물 센서 시스템을 개발하였다.

본 발명의 다른 목적, 특징, 및 장점들은, 유사한 부호가 전체 도면에 걸쳐 유사한 특성을 나타내는 첨부된 도면과 다음의 상세한 설명을 고려하여 명백해질 것이다.

본 발명은, 일반적으로, 가스 오염물 검출에 관한 것이며, 특히, 일반적으로 내부공동 레이저 분광법으로 불리는 레이저 기술에 의해 기체 분자, 원자, 기 (radical), 및/또는 이온의 높은 감도 검출에 관한 것이다.

본 명세서에서 참조된 도면들은 특정하게 주지된 것을 제외하고는 개략적으로 도시된 것이다.

도 1a 는 ILS 레이저, 분광계 조립체, 광학 검출기, 및 광학 검출기로부터의전기적 출력을 분석하는 컴퓨터를 포함하는 종래 기술의 가스 검출 시스템을 도시하는 단면도.

도 1b 는, 강도 및 파장 좌표로, (i) 흡수하는 기체 종이 레이저 공동에 존재할 때 및 (ii) 흡수하는 기체 종이 레이저 공동내에 존재하지 않을 때, 종래 기술의 ILS 레이저의 스펙트럼 분해된 출력을 도시하는 도.

도 2a 는 ILS 레이저 및 광학 검출기를 포함하는 본 발명의 가스 검출 시스템을 도시하는 단면도.

도 2b 는, 강도 및 농도 좌표로, ILS 레이저의 2개 상이한 동작 상태에서의 본 발명의 ILS 레이저의 전체 출력 전력을 도시하는 도.

도 3 은 본 발명의 ILS 레이저의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도.

도 4 는, 레이저 강도/물 흡수 (임의 단위) 및 파장 (나노미터) 좌표로, 1450 내지 1455 나노미터 파장에 걸친 수증기의 고농도용 흡수 스펙트럼을 도시하는 그래프.

도 5 는, 레이저 강도/물 흡수 (임의 단위) 및 물 농도 (pptv) 좌표로, 물을 질소 가스로부터 제거하는데 사용되는 인라인 가스 정화기에 의해 측정되는 질소 가스에서의 물 농도 대 레이저 강도를 도시하는 그래프.

바람직한 실시예의 설명

본 발명의 특정 실시예에 대하여 참조가 상세히 되어있으며, 이것은 본 발명을 실시하는 발명자에 의해 숙고된 최상 모드를 도시한다. 대체 실시예도 또한 간략히 설명된다.

본 발명은 ILS 센서를 사용하는 기체 종의 고감도 검출에 관한 것이다. 기체 종이라는 용어는 실리콘막 제조에 사용되는 것과 같은 기체로 존재할 수 있는 분자, 원자, 기, 및/또는 이온 종에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 ILS 가스 검출 시스템은 기체 상태(예를 들어, 질소)의 오염물(예를 들어, 물)의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. 대체하여, ILS 검출은 가스 라인이 기체(예를 들어 질소)로 충분히 정화되었는지를 측정하는데 사용될 수 있다.

도 1a 및 1b 는 ILS 검출을 수행하는 종래 기술의 방법을 개략적으로 도시한다. 특히, 도 1a 에서, ILS 가스 검출 시스템(10)의 단면도가 ILS 레이저(12), 분광계 어셈블리(14), 광학 검출기(16), 및 광학 검출기로부터의 전기적 출력을 분석하는 컴퓨터(18)를 포함하여 도시된다.

도 1a 에 도시된 ILS 레이저(12)는 거울(26, 28)간의 전체 광학 경로 길이로 한정되는 광학 공진기(24) 내에 위치하는 이득 매체(20) 및 가스 샘플 셀(22)을 포함한다. ILS 레이저(12) 가 광학 방사를 이득 매체(20) 로 전달하여 이에따라 ILS 레이저(12)를 구동하는 광학 펌핑 소스와 같은 (도시되지 않은) 펌핑 소스를 추가로 요구한다는 것이 이해될 것이다.

도 1a 는 이득 매체(20)내의 레이저 광이 가스 샘플 셀(22)로 향하며 이 내부의 가스 샘플을 통과하는 것을 도시한다. 상기한 바와 같이, 광학 공진기 또는 레이저 공동(24)내, 특히, 가스 샘플 셀(22)내의 기체 종은 흡수 특성이 ILS 레이저(12)가 동작하는 파장 영역내에 위치한다면 흡수 손실을 유도할 수도 있다. 따라서, ILS 레이저에 존재하는 출력 빔이 기체 종의 스펙트럼 서명에서의 흡수 특성과 동일한 흡수 특성을 포함하는지를 측정함으로써 ILS 레이저(12)의 출력 빔(32)은 레이저 공동(24)내의 흡수 기체 종의 존재를 식별하도록 분석될 수 있다. 스펙트럼 서명이 강도 및 파장의 정보를 포함한다는 것이 이해될 것이다.

여기서, 흡수 특성은 흡수 라인, 즉, 광 강도에서의 단일 로컬 최소값 (즉, 흡수가 최대로 됨) 을 포함하고 둘러싸는 광 강도 대 파장의 도면으로 연속 관측가능한 파장 영역에에 상응한다. 각 흡수 라인은 유한 대역폭 및 흡수가 최대로 되는 (또는 출력 강도가 최소로 되는) 점을 갖는다. 본 발명에 따라, 흡수 특성을 나타내는 모든 파장은 기체 종이 흡수하는 파장이기 때문에 흡수 특성은 중요하다.

또한, 여기서 흡수 대역이라는 용어는 각 파장에서 흡수가 발생하는 흡수 스펙트럼에서의 단일 비간섭(uninterrupted) 파장 영역으로 정의된다. 따라서, 흡수 스펙트럼이 흡수가 관측되지 않는 영역(B)으로 구분되는 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)을 포함하면, 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)은 개별적인 흡수 대역에 상응한다. 그러나, 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)이 로컬 흡수 최소값(또는 강도의 로컬 최대값)에 의해 분리되면, 2개 흡수 라인(A₁, A₂)은 단일 흡수 대역에 상응한다. 예를 들어, 제 1 농도에서 개별적이며 명백한 흡수 라인은 제 2 의 보다 높은 농도에서 결합되어 단일 흡수 대역을 형성한다. 온도, 발생 시간, 및 펌핑 전력이 또한 출력 스펙트럼 및 측정된 흡수 스펙트럼에 영향을 주는 것이 이해될 것이다. 따라서, 측정된 흡수 스펙트럼에서의 흡수 대역 수는 온도, 발생 시간, 및 펌핑 전력에 따라 또한 변할 것이다.

ILS 레이저(12)의 스펙트럼 출력을 분석하기 위해, ILS 레이저로부터의 ILS 출력 빔(32)은 출력 빔을 파장에 따라 분산시키는 분광계 어셈블리(15)로 전송된다. 도 1a 에서, 회절 격자(38, 40)는 ILS 레이저(12)에 존재하는 출력 빔(32)을 분산하도록 이용된다. 렌즈(34, 36)는 회절 격자(38, 40)에 입사되기 전에 출력 빔(32)을 확장시킨다. 렌즈(42)는 분광계 어셈블리(14)의 출력을 광학 검출기(16)에 집중시킨다.

한 종래 기술의 방법에서, (1) 분광계 어셈블리(14)는 파장에 따라 스캐닝될 수 있는 분산 광학 소자를 포함하고, 광학 검출기(16)는 단일 채널 검출기를 포함한다. 도 1a 는 이러한 스캐닝 분산 광학 소자를 회절 격자(38)로서 도시한다.

레이저 공동(24)에서의 기체 종의 스펙트럼 서명은 분광계 어셈블리(14)를 통해 전송되는 광이 (단일 채널) 광학 검출기(16)앞에 위치한 적절한 개구(46)를 통과하는 한편 분산 광학 소자(격자(38))를 스캐닝함으로써 얻어진다. (개구(46)는 단순히 슬릿을 포함할 수도 있다.) 분광계 어셈블리(14)를 통해 전송되는 광 강도는 회절 격자(38)가 스캐닝될 때 광학 검출기(16)에 의해 측정된다. 광학 검출기(16)는 이러한 강도를 나타내도록 전기 신호를 출력한다. (예를 들어, 전기 신호는 ILS 레이저 강도에 비례할 수도 있다.) 또한, 분광계는 전자 신호를 각 파장을 나타내는 컴퓨터(18)로 전송한다. 이러한 방식으로, 컴퓨터(18)는 광학 검출기(16)에 의해 측정된 강도를 분광계 어셈블리(14)에 의해 측정된 파장과 상관시킨다. 따라서, 분광계 어셈블리(14) 및 광학 검출기(16)는 ILS 레이저(12)로부터 방출되는 출력 빔(32)의 스펙트럼 분포가 확실히 측정될 수 있도록 컴퓨터(18)와 함께 동작된다.

도 1b 는 종래 기술의 ILS 검출 방법으로부터 얻어지는 데이터 종류를 개략적으로 도시한다. 곡선(48)은 파장을 스캐닝하고 분광계 어셈블리(14)를 통해 전송되는 광의 강도를 측정함으로써 얻어지는 특정한 분산 ILS 레이저 출력 스펙트럼 (또는 흡수스펙트럼)을 나타낸다. 흡수 특성이 위치한 파장에서, ILS 레이저(12)의 강도는 감쇠된다. 화살표(49)는 6개의 이러한 특성을 나타낸다. (곡선(5)은 흡수하는 기체 종이 없는 ILS 레이저(12)의 스펙트럼 분포를 나타낸다.)

컴퓨터(18)는 기체 종을 식별하기 위해 곡선(48)으로 도시된 흡수 스펙트럼을 사용할 수 있다. 특히, ILS 레이저(12) 의 출력 스펙트럼내에서 수많은 흡수 특성을 포함하는 흡수 스펙트럼이 측정되고 감시되는 기체 종의 공지된 스펙트럼 서명과 비교된다. 기체 종의 특정한 흡수 특성의 위치 및 상대 강도가 이용되어 검출되는 기체 종을 독특하게 식별할 수 있다. 레이저 공동(24)내에서 내부 공동 기체 종의 농동 또는 양은 크기가 알려진 농도로 미리 교정되어 있을 때 흡수 스펙트럼에서 발견되는 흡수 특성 크기로부터 측정될 수 있다.

다른 종래 기술 방법에서, (1) ILS 레이저(12)로부터 방출되는 출력 빔(32)은 고정된 분산 광학 소자(즉, 격자(38,40)는 스캐닝되지 않음)를 갖는 분광계를 통과하고, (2) 광학 검출기(16)는 다중채널 검출기 어레이를 포함한다. ILS 레이저(12)가 동작하는 스펙트럼 영역은 분광계 어셈블리(14)에 의해 발생하며 광학 검출기(16)에 걸쳐 공간적으로 배치된다. 광학 검출기(16) 앞에 위치하는 (어떠한) 개구(46)는 다중 파장이 검출기 어레이에서의 다중 검출기에 의해 동시에 추적되도록 검출기 어레이에서의 복수의 검출기가 조명되기에 충분히 넓다.

따라서, 분광계 어셈블리(14)에 의해 분해되는 특정 스펙트럼 영역은 (다중채널 어레이) 광학 검출기(16)와 함께 동시에 측정된다. 컴퓨터(18)는 (다중채널 어레이) 광학 검출기(16)를 동작시키며 다중 검출기로부터 측정된 강도를 판독한다. 또한, 분광계 어셈블리(14)는 전자 신호를 분광계 어셈블리(14)에 의해 분해되는 파장을 나타내는 컴퓨터(18)에 전송한다. 컴퓨터(18)는 (다중채널 어레이) 광학 검출기(16) 및 분광계 어셈블리(14)로부터의 전자 신호를 각각 강도 및 파장으로 변환하도록 프로그래밍된다. 이러한 방식으로, 컴퓨터는 광학 검출기(16)에 의해 측정되는 강도를 분광계 어셈블리(14)에 의해 측정되는 파장과 상관시킨다.

따라서, 분광계 어셈블리(14) 및 (다중채널 어레이) 광학 검출기(16)는 컴퓨터(18)와 함께 동작하여 ILS 레이저(12)로부터 방출되는 출력 빔(32)의 스펙트럼 분포를 측정 및 기록한다. 도 1b 에 도시된 흡수 서명과 유사한 흡수 서명이 발생될 수도 있다.

상기한 바와 같이, 스펙트럼 서명은 레이저 공동(24)에서의 가스 종을 식별하는데 사용된다. 컴퓨터는 ILS 레이저(12)의 출력 스펙트럼내의 수많은 흡수 특성 또는 라인을 포함하는 측정된 흡수 대역을 기록하고 이것을 감시되는 기체 종의 알려진 스펙트럼 서명과 비교한다. 내부 공동 종의 농도는 일단 크기가 알려진 농도를 사용하여 교정되면 스펙트럼 서명에서 발견되는 흡수 특성 크기로부터 측정될 수 있다.

그러나, 이러한 종래 기술의 방법에서는 흡수가 최소인 흡수 특성을 둘러싸는 파장 영역뿐만 아니라 흡수 특성에 상응하는 파장을 포함하는 복수 파장에서의 강도를 측정 및 기록함으로써 강도 대 파장 도면을 효율적으로 발생시키기 위한 컴퓨터(18)가 필요하다는 것이 이해될 것이다.

대조하여, 본 발명의 방법은, 이러한 종래 기술의 방식보다 매우 간단한다. 복수 파장에 대한 강도 분포를 감시하는 대신, 본 발명의 방법은, 즉, 소정의 파장 영역내에서 광을 발생하는 동작동안 얼마나 많은 강도가 ILS 레이저(12)에 의해 발생되는지를 측정하는 것만이 관련된다. 본 발명의 방법은 ILS(12)가 동작하는 전체 파장 영역에 대한 흡수의 전체 변화를 필수적으로 이용한다. 따라서, 레이저 출력을 분산함으로써 종래 기술의 방법에 의해 측정된 흡수 특성은 본 발명의 방법에서 ILS 레이저(12)의 전체 출력 강도에 영향을 주도록 이용된다. ILS 레이저(12)의 스펙트럼내에서 다중 흡수 특성을 측정 및 기록하는 것은 필요하지 않다.

본 발명의 방법은 다른 면에서 ILS 가스 검출용 종래 기술 방법과 개념적으로 상이하다. 즉, 본 발명에서 사용되는 ILS 레이저(12)는 바람직하게 상대 흡수 특성의 대역에 비교할만한 대역폭을 갖는다. ILS 검출의 종래 기술 방법은 검출되는 내부공동 종과 관련된 개별적인 흡수 특성의 대역폭보다 실질적으로 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 이용한다. 특히, 종래 기술의 ILS 레이저(12)는 바람직하게 감시되는 기체 종의 흡수 특성보다 적어도 3배 넓은 동작가능한 파장 대역폭을 갖는다.

여러가지 이유로 인하여 기체 종에 의해 발생되는 흡수 특성의 대역폭에 대하여 실질적으로 넓은 파장 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 사용하게 된다. 상기한 바와 같이, 스펙트럼 서명에서의 다양한 흡수 특성은 검출되는 특정한 기체 종을 식별하는 컴퓨터(18)에 도움을 준다. 따라서, 흡수 기체 종을 식별하는 종래 기술의 방법은 한 개 이상의 흡수 특성을 포함하기에 충분히 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)에 의존한다. 또한, ILS 기술의 향상된 검출 감도가 다중모드 레이저의 비선형 이득 대 손실 경쟁으로부터 주로 유도되기에 다중 길이방향 모드를 갖는 ILS 레이저(12)는 가장 이점을 갖는다. 결과적으로, 종래 기술의 방법은 다중 길이방향 모드를 포함하기에 충분히 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 이용한다.

그러나, 본 발명의 제 1 실시예의 ILS 레이저(12)는, 바람직하게 감시되는 내부 공동 기체 종과 관련된 흡수 대역중 한 개의 대역폭과 동등하거나 작은 동작가능한 대역폭을 갖는다. 또한, 본 발명의 방법을 성공적으로 수행하기 위해, ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭은 흡수 대역과 직접 중첩하도록 조절될 수 있다. (상기한 바와 같이 흡수 대역은 단일 흡수 특성 또는 복수개의 연속 흡수 특성을 포함할 수도 있다.)

ILS 레이저(12)의 포텐셜 또는 동작가능한 대역폭(Δν_laser)은, 이득 매체(20)가 동작할 수 있는 파장 영역, 거울(26,28)의 스펙트럼 특징, 및 광학 공동(24)내의 각 광학 소자가 전송하는 파장 영역에 의해 한정된다. 특히, 대역폭(Δν_laser)은, 어떤 다른 개별적인 내부 공동 광학 소자, 즉, 레이저 공동(24)내의 펠리클 또는 복굴절 튜너의 대역폭 뿐만 아니라 이득 매체(20) 및 거울(26,28)의 대역폭의 컨버루션에 의해 한정된다.

바람직하게, (예를 들어, 한 개의 흡수 특성 또는 복수의 연속 흡수 특성을 포함하는) 흡수 대역의 중첩부의 대역폭에 대한 ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭의 비율은 1 대 1 이다. 보다 바람직하게, ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭은 (1) 다중모드 동작을 유지하도록 충분히 넓지만 (2) 관심대상인 기체 종과 관련있는 흡수 대역만을 중첩하도록 충분히 좁다. 흡수 대역의 중첩부는 여기서 W_abs로 표시되며, 그 대역폭은 Δν_abs이다.

상기한 바와 같이, 다중모드 동작이 가능하도록 충분히 넓은 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 사용하여 ILS 로 도달할 수 있는 향상된 검출 감도를 유지할 수 있다. 그러나, ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭이 검출되는 기체 종과 관련된 흡수 대역만을 중첩하도록 충분히 좁기에, 레이저로부터 출력되는 광의 감도는 기체 종의 농도가 변할 때 정량적으로 변경될 것이다.

흡수 기체 종의 대역폭(Δν_abs)의 중첩부 및 ILS 레이저(12)의 대역폭(Δν_laser)이 비슷할 때, 내부 공동 기체 종으로부터의 흡수는 레이저에 의해 발생하는 광량을 제한할 수 있다. ILS 레이저(12)는 흡수 손실이 발생되는 파장 영역에서 효율적으로 동작할 수 없다. 흡수 기체 종이 존재하면, ILS 레이저(12)가 동작할 수 있는 영역만이 흡수 대역에 의해 지배되고, 이것은 레이저 동작을 방해한다.

기체 종의 농도가 높을수록, 흡수 손실이 커지며 이득 매체(20)에서 충분한 광(또는 이득)을 발생하는 작업이 어려워진다. 따라서, 내부 공동 기체 종의 농도가 증가할 때, ILS 레이저(12)로부터 출력되는 광의 감도는 감소한다. 내부 공동 흡수기 농도 함수로서 출력되는 광의 감도가 사용되어 ILS 센서를 교정할 수 있다. 이러한 아이디어는 비선형 광학 성질, 복굴절 필터, 및 이들의 조합에서 동작할 수 있다.

포텐셜 (또는 동작가능한) 파장 대역, W 레이저, (및 대역폭, (ILS 레이저(12)의 (레이저)) 가 이해될 것이다.

결과적으로, 본 발명의 ILS 방법을 이용할 때 흡수하는 기체 종의 농도를 정량적으로 측정하기 위해 ILS 레이저(12)의 출력 강도만이 감시될 필요가 있다.

도 2a 및 2b 는, 가스 샘플의 기체 종을 검출하는 본 발명의 방법 및 장치를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 2a 는 본 발명에 따라 구성된 ILS 가스 검출 시스템(10)의 단면도를 도시하고, 도 2b 는, 강도 및 농도 좌표로, ILS 레이저의 3개의 상이한 동작가능 상태용 본 발명의 ILS 레이저의 전체 출력 전력을 도시하는 도이다.

본 발명의 ILS 가스 검출 시스템(10)은 레이저 출력 강도에서의 절대 레이저 출력 강도 또는 상대 변화량을 측정하기 위해 단지 ILS 레이저(12) 및 광학 검출기(16)를 포함한다.

ILS 레이저(12)는, 도 2a 에 도시된 본 발명의 실시예에 설명된 바와 같이, 이득 매체(20), 가스 샘플 셀(22), 및 파장 선택 광학 소자(52)를 포함하고, 이들모두는 거울(26,28)사이에 형성된 광학 공진기(24)내에 위치한다.

도 2a에 도시된 레이저 공동(24)이 선형 공동이지만, 본 발명에 따라 대체 공동 설계가 이용될 수 있음이 이해될 것이다. ILS 레이저의 잠재적인 (또는 동작가능한) 파장 대역폭(Δν_laser)이 즉, 1:1 로 동등하다면, 또는 검출되는 기체 종과 관련된 흡수 대역의 대역폭(Δν_abs)의 중첩부내에서 동일하다면, 이러한 대체 공동 설계가 가능하다.

도 2a 에 도시된 ILS 레이저에서, 파장 선택 광학 소자(52)는 (1) 대역폭을 좁히고 (2) ILS 레이저(12)의 파장을 조절하는 역할을 한다. 특히, 파장 선택 광학 소자(52)는 ILS 레이저(12)가 흡수 대역의 중첩부의 대역폭보다 넓지 않은 동작가능한 대역폭을 갖는 것을 보장하도록 선택된다. 또한, 파장 선택 광학 소자(52)는 ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭이 예를 들어 한 개의 흡수 특성 또는 복수의 연속 흡수 특성을 포함하는 흡수 대역과 부합하는 것을 보장한다.

도 2a 에 도시된 파장 선택 광학 소자(52)는 필요한 협대역 튜닝을 제공하는 고반사 파블리 페롯 에탈론 역할을 하는 금속화된 펠리클을 포함한다. 금속화는 에탈론의 미세성을 증가시키고 대역폭을 좁히며 이에따라 협대역 대역통과 필터를 생성한다. ILS 레이저(12)를 적절한 파장으로 조절하는 것은 필요한 파장을 통과하는 각도로 에탈론을 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명에서 적절히 이용될 수 있는 다른 파장 선택 광학 소자(52)의 예로는 광학 대역통과 필터, 회절 격자, 프리즘, 광전 대역통과 필터, 단일 및 다중 판 복굴절 필터, 및 이들의 조합이 포함된다.

ILS 레이저(12)의 잠재적인 (또는 동작가능한) 파장 대역(W_laser) (및 대역폭(Δν_laser)) 은 이득 매체(20) 및 거울(26,28)상에 형성된 어떠한 광학 코팅뿐만 아니라 레이저 공동(24)내에 위치한 광학 부품상에 형성된 어떤 광학 코팅에 의존한다. 따라서, 파장 선택 광학 소자(52)를 레이저 공동(24)내로 도입하는 대신, 상기한 방식으로 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역만을 중첩하도록, ILS 레이저(12)에서 사용되는 이득 매체 및 광학 부품상의 다른 코팅, 즉, 거울(26,28), 또는 가스 샘플 셀(22)상의 윈도우, 또는 결정(20)상의 코팅이 설계되어 ILS 레이저의 잠재적인 (또는 동작가능한) 대역폭(W_laser)을 줄이고 조절할 수 있다.

ILS 레이저(12)는 자신의 임계값에서 또는 임계값보다 약간 높은 값에서 ILS 레이저를 구동하도록 (도시되지 않은) 펌핑 소스를 필요로 한다는 것이 또한 이해될 것이다. 예를 들어, 광학 방출을 이득 매체(20)에 전달하는 광학 펌핑 소스가 사용될 수 있다. 그러나, 도 2a 에 도시된 ILS 레이저(12)용으로, ILS 레이저(12)의 잠재적인 (또는 동작가능한) 파장 대역(W_laser)은, 레이저 공동(24)내에서 다른 어떠한 내부 공동 광학 소자(즉, 파장 선택 광학 소자)가 전송하는 파장 대역 뿐만 아니라, 이득 매체(20)가 동작할 수 있는 파장 대역, 거울(26,28)이 반사하는 파장 대역, 거울(28)이 전송하는 파장 대역의 컨버루션에 의해 한정된다.

도 2a는 이득매체(20)내에서 발생한 레이저 광이 가스 샘플 셀(22)로 향하며이 속의 가스 샘플을 통과하는 것을 도시한다. 상기한 바와 같이, 레이저 공동(24)내 특히, 가스 샘플 셀(22)내의 기체 종은 흡수 손실을 유도할 수도 있다. 그러나, 본 발명에 따라, ILS 레이저(12)의 잠재적인 대역폭(Δν_laser)은 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역의 중첩부(W_abs)의 대역폭(Δν_abs)에 동등하다. 따라서, 내부 공동 기체 종으로부터의 흡수는 ILS 레이저(12)의 출력 전력을 감소시킬 것이다. 따라서, 기체 종의 농도를 측정하기 위해, ILS 레이저(12) 는 정교한 동작 조건으로 교정되어야 한다. 레이저로부터 방출되는 출력 빔(32)은 광학 검출기(16)에 의해 직접 검출된다.

가장 단순한 형태로, 광학 검출기(16)는 광 다이오드, 광도전체, 또는 광전 증배관 튜브와 같은 단일 채널 검출기를 포함한다. 본 발명에서 다른 검출기가 적절히 사용될 수도 있다. 광학 검출기(16)용으로 오직 필요한 것은 검출기가 ILS 레이저 빔(32)을 감지할 수 있어야 하고 그 결과 전기 신호를 발생할 수 있어야 한다는 것이다. 따라서, 광학 검출기(16)로부터 연장되는 전기 출력 단자(54)는 도 2a에 도시된다.

본 발명의 가스 검출 시스템(10)은 어떠한 분광계 어셈블리(14) 나 컴퓨터도 이용되지 않는다는 점에서 도 1a 에 도시된 종래 기술의 시스템과 상이하다. 도 2a 에 도시된 가스 검출 시스템(10)은 또한 스캐닝 분산 광학 소자, 다중채널 검출 어레이, 또는 광학 검출기(16)앞에 배치되는 슬릿을 필요로 하지 않는다.

또한, 종래 기술에 도시된 가스 검출 시스템(10)은, 검출되는 기체 종과 관련된 흡수 대역과 부합하도록 ILS 레이저(12)의 동작가능 대역폭을 좁히고 조절하는 레이저 공동(24)내에 파장 선택 광학 소자(52)를 포함하지 않는다.

ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭이 실질적으로 중첩된 흡수 대역의 대역폭보다 큰 종래 기술의 방법에서, 흡수하는 종의 농도가 레이저 공동(24)에 존재할 때에도 레이저는 계속 동작할 것이다. ILS 레이저(12)의 전체 포텐셜 이득 대역폭에 대하여 좁은 광학 손실로 인하여 레이저는 흡수 손실이 없거나 감소되는 파장 영역으로 광학 에너지를 재분포시킬 것이다. 따라서, 레이저 동작은 상이한 파장에서 계속될 것이다.

대조하여, 본 발명은 흡수 손실이 ILS 레이저(12)의 전체 동작가능한 대역폭(Δν_laser) 의 주요 부분임을 보장함으로써 다른 파장 영역으로의 광학 에너지의 재분포를 억제한다.

ILS 가 종래 기술의 방법보다 증가된 감도를 제공하기에 이전에 측정되지 못한 약한 천이가 본 발명의 가스 검출 시스템(10)에서 처음으로 측정가능하게 되는 것이 이해될 것이다. ILS 레이저(12) 조절을 안다는 것은 다양한 흡수 특성의 분광계 연구로부터 얻어져야 한다. 레이저의 스펙트럼 출력을 흡수 특성(또는 복수의 특성)과 정합하기 위해 ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭 및 파장을 광학적으로 제어하는 것을 이해하는 것이 또한 요구된다.

또한, 잘못된 파지티브 판독을 야기시킬 수 있는 스펙트럼 간섭 가능성을 제거하기 위해, 주어진 가스 샘플에 존재할 수 있는 추가 기체 종에 대한 분광 연구하다. 이러한 추가 기체 종이 검출되지 않는다면, ILS 레이저(12)의 스펙트럼 출력은 이러한 다른 기체 종에 의해 발생되는 어떠한 흡수 특성에 대하여 조절되지 않아야 한다. 다른 기체 종으로부터 발생되는 어떤 흡수 특성으로부터의 잠재적인 공헌이 ILS 레이저(12)가 광을 방출하는 파장 영역에 존재할 수 있다. 따라서, ILS 레이저(12)의 동작가능한 파장은 (1) 검출되는 기체 종과 관련된 흡수 특성과 부합하도록 (2) 관심분야가 아닌 기체 종으로부터의 스펙트럼 간섭을 피하도록 선택되어야 한다. 상기한 요구사항이 만족되면, ILS 레이저(12)와의 스펙트럼 상호작용은 감시되는 기체 종으로부터의 흡수에만 기인할 수 있다. 따라서, ILS 레이저(12) 출력 강도는, 교정될 때, 감시되는 기체 종의 농도를 정밀하게 측정할 것이다.

ILS 레이저(12)가 동작하는 선택된 스펙트럼 영역이 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역하고만 부합하기 때문에 기체 종을 식별하게 된다.

기체 종의 농도는 레이저 공동(24)에서 알려진 농도의 기체 종을 갖는 미세한 동작 조건하에서 ILS 레이저(12)의 출력 강도를 교정함으로써 알 수 있다. 이 농도는 온도, 압력, 레이저 이득, 발생 시간(tg), 즉, 내부 공동모드 경쟁이 발생할 수 있는 주기를 포함하는 특정 세트의 동작가능한 매개변수, 및 ILS 레이저(12)의 출력 강도를 변경하는 다른 매개변수에 의존한다. 이러한 동작가능한 매개변수는 가스 검출 시스템(10)이 교정된 사태를 유지하도록 일정하게 유지되어야 하는 것이 이해될 것이다. 대체하여, 이러한 동작가능한 매개변수들을 변경함으로써 가스 검출 시스템의 교정된 감도를 변경할 것이며, 이에 따라 미세하게 상이한 동작가능한 조건하에서 다중 교정이 가스 검출 시스템의 동적 범위를 증가시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 확장 사용에 대한 교정을 유지하는 가스 검출 시스템(10)을 설계하기 위해 ILS 레이저(12)의 출력 강도에 영향을 끼치는 특정 동작가능한 매개변수를 알 필요가 있다.

도 2b에서, ILS 레이저(12)의 출력 강도는 2개의 상이한 동작가능한 조건에 대한 오염물 농도로 도시된다. 곡선(56)은 오염물 농도의 적절한 변화가 레이저 출력 강도의 보다 감도성을 갖는 변화를 발생시킬 수 있는 임계값에 보다 가깝게 동작하는 ILS 레이저(12)에 상응한다. 오염물 농도가 레이저가 더 이상 임계값에 도달할 수 없으며 레이저 동작이 종지되는 점까지 증가하는 특별한 경우가 또한 도시되어 있다. 곡선(58)은 곡선(56)에 의해 입증되는 동작 조건에서의 경우보다 레이저 출력이 오염물 농도의 주어진 변화에 응답하여 덜 변화하는 임계값을 넘어서(즉, 보다 높은 이득) 동작하는 ILS 레이저(12)에 상응한다. 그러나, 가스 검출 시스템의 동적 범위는 곡선(58)에 의해 입증되는 동작 조건에서 증가한다. 곡선(58)은 또한 레이저가 더 이상 임계값에 도달할 수 없으며 레이저 동작이 종지되는 점까지 오염물 농도가 증가하는 특정한 경우를 나타낸다. 그러나, 곡선(58)에 의해 입증되는 동작 조건에 대하여, 임계는 보다 높은 오염물 농도에서 발생한다.

도 3 에 대하여, 본 발명의 별도 실시예가 도시된다. 본 발명에 따라, 도 3 에 도시된 ILS 레이저(12)의 잠재적인 (또는 동작가능한) 파장 대역폭(Δν_laser)이 흡수 대역 또는 감시되는 기체 종과 관련된 영역(W_abs)과 부합할 정도로 좁다. 따라서, 레이저 공동(24)내에 어떠한 파장 선택 광학 소자(52)도 삽입되지 않는다.

상기한 바와 같이, 흡수 대역이라는 용어는 각 파장마다 흡수가 발생하는 흡수 스펙트럼에서 간섭받지 않은 단일 파장 영역으로 정의된다. 따라서, 흡수가 관측되지 않는 영역(B)에 의해 분리되는 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)을 흡수 스펙트럼이 포함하면, 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)은 개별적인 흡수 대역에 상응한다. 그러나, 상기 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)이 로컬 흡수 최소 강도 (또는 로컬 최대 강도)에 의해서만 분리된다면, 2개의 흡수 라인(A₁, A₂)은 단일 흡수 대역에 상응한다.

본 발명에 따라, 도 3 에 도시된 가스 검출 시스템(10)은 ILS 레이저(12) 및 광학 검출기(16)를 포함한다. ILS 레이저(12)는 거울(26,28)에 의해 한정되는 레이저 공동(24)내에 위치하는 이득 매체(20)를 포함한다. 레이저 공동(24)은 선형 공동이며 이득 매체(20)는 이온 도핑된 결정이다. 제 1 거울(26)은 이온 도핑된 결정의 한 쪽 끝부(60)상에 반사 코팅을 증착함으로써 형성된다. 제 2 거울(28)은 휘어진 반사기를 포함한다.

도 3 에 도시된 레이저 공동(24)이 선형 공동이지만, 본 발명에 따라 대체 공동 설계가 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 대체 공동 설계는 ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭(Δν_laser)이 1 대 1 로 정합하거나, 검출되는 기체 종과 관련된 흡수 대역의 중첩부의 대역폭내에 부합하는 한 허용될 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에서, 이득 매체(20)로서 사용되는 이온 도핑된 결정은 Tm⁺³,Tb⁺³:YLF 결정이다. 그러나, 특정한 사용에 적절한 것으로 고려될 때 다른이온 도핑된 결정이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 아래에 열거된 것들을 포함하여, 특정하게 설명된 이온 도핑된 결정들은 포괄적이다.

본 발명의 방법 및 장치에서 적절히 이용될 수 있는 이온 도핑된 결정의 샘플링에는, Cr:Tm:Ho:YAG, Cr⁴⁺:YSO, Cr⁴⁺:YAG, Cr⁴⁺:YSAG, Er³⁺:GSGG, Er³⁺:YSGG, Er³⁺:YLF, Er³⁺:Yb³⁺:glass, Ho³⁺:YSGG, Ho³⁺:Tm³⁺:LUAG, Tm³⁺:Ho³⁺:YLF, Tm³⁺:Ho³⁺:YAG, Tm³⁺:Ca Y SOAP, Tm³⁺:YLF, Tm³⁺:glass, Tm³⁺:Ca La SOAP, Tm³⁺:YOS, Tm³⁺:YSGG, Tm³⁺:YAG, Tm³⁺:YVO₄, Yb³⁺:YAG, Cr:Forsterite, Er:Yb:Glass, CO₂:MgF₂, Cr²⁺:ZnSe, 및 Cr²⁺:ZnS/ZnSe/ZnTe 이 포함된다. 기체, 액체, 고체인 다른 물질이 이득 매체(20)로서 또한 사용될 수 있다.

도 3 은 또한 레이저 공동(24)내에 위치한 가스 샘플 셀(22)을 도시한다. 가스 샘플 셀(22)은 가스 샘플을 레이저 부품으로부터 격리시킨다. 가스 샘플 셀(22)이 부식성이 없는 가스 샘플에 필요하지 않다는 것이 이해될 것이며, 이 경우, 가스 샘플은 전체 레이저 공동(24)내에 포함될 수 있다.

가스 샘플 셀(22)에는 입력 관(62) 및 출력 관(64)이 제공된다. 각 셀 윈도우(66,68)는 가스 샘플 셀(22)의 말단상에 장착되며 빔(70)이 분석되는 가스 샘플을 통과하도록 한다. 윈도우(66,68)는 가스 샘플 셀(22)을 또한 밀봉한다.

가스 샘플 셀(22)이 ILS 레이저(12)를 포함하는 챔버(72)내에 존재하는 경우, 검출되는 기체 종은 챔버로부터 제거되거나 소멸될 필요가 있다. 챔버(72)로부터 기체 종을 제거함으로써, 가스 검출 시스템(10)을 사용하여 얻어지는 시스템 응답은 가스 샘플 셀(22)내에 포함된 기체 종의 존재 및 그 양을 정밀하게 나타낸다. 챔버(72)로부터 기체 종을 정화 또는 배출한 후, 가스 샘플은 (예를 들어, 가스 샘플이 부식성 가스를 포함할 때) 입력 관(62) 및 출력 관(64)을 통하여 가스 샘플 셀(22)로 공급된다. 그러나, 가스 샘플이 레이저 부품과 화학적으로 반응하지 않는 경우에, 가스 샘플은 챔버(72)내로 전달될 수도 있다.

상기한 바와 같이, ILS 레이저(12)는 이득 매체(20)를 여기하도록 펌핑 소스(74)를 필요로 한다. 이온 도핑된 결정 이득 매체(20)의 광학 여기는 반도체 다이오드 레이저(76)를 포함하는 펌핑 소스(74)에 의해 제공된다.

펌핑 소스(74)는, ILS 레이저(12)를 구동할 간섭성, 또는 비간섭성, 연속적인 또는 펄스화된, 다른 적절한 광학 펌핑 소스를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 펌핑 소스(74)는 대체하여 고상 결정 레이저(즉, Nd:YAG), 가스 레이저, 한 개 이상의 플래시램프, 섬유 레이저, 또는 ILS 레이저(12)를 펌핑하는데 적절한 다른 펌핑 소스를 포함할 수 있다.

도 3 은 전원(78)에 의해 전력을 공급받으며 열전 쿨러 (80)에 의해 냉각되는 반도체 다이오드 레이저(76)를 도시한다. 반도체 레이저 다이오드(76) 및 열전 쿨러(80)는 반도체 다이오드 레이저에 의해 발생되는 열을 분산시키도록 제공되는 히트싱크(82)에 장착된다.

그러나, 펌핑 소스(74)로서 반도체 다이오드 레이저(76)를 사용하면 반도체 다이오드 레이저(76) 및 ILS 레이저(12)간의 광학 정합이 용이하도록 빔 형성광학(84)이 요구된다. 빔 수정 광학의 예에는 회절 광학, 굴절 광학, 굴절 인덱스가 축방향으로 변하는 그라디언트 인덱스 광학, 마이크로 광학, 및 이들의 조합이 포함된다. 도 3 은 한 쌍의 아나모픽(anamorphic) 프리즘(86) 및 한 쌍의 렌즈(88)를 포함하는 한 쌍의 매크로스코픽 광학을 포함하는 빔 형성 광학(84)을 도시한다. 대체하여, 빔 확장 망원경 또는 반도체 다이오드 레이저(76)의 수 마이크로미터내에 위치하는 마이크로 광학이 이용될 수도 있다.

도 3 은 또한 빔 형성 광학(84) 및 이득 매체(20)간에 삽입된 제 1 모듈레이터(90)를 도시한다. 제 1 모듈레이터(90)는 모듈레이터 드라이버(92)에 의해 전력을 공급받으며 제어된다. 제 1 모듈레이터(90)는 대체하여 반도체 다이오드 레이저(76)로부터 방출되는 펌핑 빔(96)을 감쇠시키며 전송하고 이에따라 펌핑 빔이 이득 매체(20)를 펌핑하는 것을 주기적으로 방지한다. 이러한 방식으로, ILS 레이저(12)가 온오프 전환되도록 제 1 모듈레이터(90)로 인하여 펌핑 빔(96)은 이득 매체(20)를 재생성있게 펌핑할 수 있다.

ILS 레이저(12)를 벗어나는 출력 빔(32)의 경로에 제 2 모듈레이터(94)가 삽입된다. 제 2 모듈레이터(94)는 레이저 공동(24)을 벗어나는 출력 빔(32)을 교번적으로 감쇠 및 전송하고, 그로 인해 출력을 광 검출기(16)를 통과시켜 ILS 레이저(12)로부터의 출력 빔을 주기적으로 샘플링한다.

출력 빔(32)의 전체 강도가 광학 검출기(16)에 도달하는 것을 제 2 모듈레이터(94)가 주기적으로 허용하는 한편 펌핑 빔(96)의 전체 강도가 이득 매체(20)에 도달하는 것을 제 1 모듈레이터(90)가 주기적으로 허용하도록 제 2 모듈레이터(94)는 제 1 모듈레이터(90)에 동기화된다. 모듈레이터(90,94)를 사용함으로써, 이득 매체(20)에서의 이득이 기체 종에 의해 발생되는 흡수 손실과 경쟁하는 동안인 시간 길이에 대하여 제어할 수 있다. 특히, 발생 시간 (tg) 값은 2개의 모듈레이터(90,94)를 이용함으로써 조절될 수 있다. 여기서 사용될 때, 발생 시간은 ILS 레이저(12)로 측정전 모드 경쟁이 발생하는 주기로 정의된다. (대체하여, 펌핑 소스(74)의 출력을 펄스화함으로써 발생 시간(tg)은 제 1 모듈레이터(90) 및/또는 제 2 모듈레이터(94)를 사용하지 않고 변경될 수 있으며 이에따라 이득 매체(20)가 임계값 및 임계값 이상, 이하에 있도록 펌핑 빔(96)은 저 강도 및 고 강도 값으로 전환된다.)

기계적으로 동작하는 쵸퍼, 광전 또는 음향 광학 모듈레이터, 및 셔터를 포함하지만 이들에 제한되지 않는 다양한 수단을 이용하여 펌핑 간섭이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대체하여, 펌핑 소스(74)(즉, 반도체 다이오드 레이저(76)에 공급되는 전력은 변경될 수 있고, 이에따라 반도체 다이오드 레이저의 출력이 이득 매체(20)가 주기적으로 레이저 동작용으로 필요한 임계값 이상 및 이하로 되게 하는 저강도 및 고강도 간에 요동할 수 있게 된다.

제 2 모듈레이터(94)가 음향 광학 모듈레이터를 포함하지만, 본 발명의 방법 및 장치에서 기계적으로 동작하는 쵸퍼 또는 셔퍼와 같은 다른 장치가 적절히 이용될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 대체하여, 제 2 모듈레이터를 이용하는 대신, 대체하여 ILS 레이저(12)를 주기적으로 샘플링하도록 광학 검출기(16)가 번갈아 온오프 전환될 수 있다.

도 3 은 광학 검출기(16)로 향하는 ILS 레이저(12)로부터의 출력 빔(32)을 도시한다. ILS 레이저(12)로부터 출력되는 광이 광섬유 링크, 광섬유 또는 광섬유 번들을 통하여 광학 검출기(16)가 위치한 원격지로 교대로 전송될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 ILS 레이저(12)의 잠재적인 (또는 동작가능한) 파장 대역(W_laser)은 바람직하게 단일 흡수 대역 또는 감시되는 기체 종의 흡수 스펙트럼에서의 영역과 부합할 정도로 좁다. 도 3 에 도시된 ILS 레이저(12)용으로, 이득 매체(20)가 Tm⁺³,Tb⁺³:YLF를 포함할 때, 파장 대역폭은 수증기의 흡수 스펙트럼에서의 단일 흡수 대역과 직접 중첩한다.

수증기용 흡수 데이터는 제 1 모듈레이터(90)가 이용되지 않았다는 점을 제외하고는 도 3 에 개략적으로 도시된 것과 유사한 ILS 레이저(12)를 사용하여 획득된다. 대신, 반도체 다이오드 레이저(76)에 공급되는 전력이 조절되었다. 또한, ILS 레이저(12)의 출력을 분산시키고 이에 따라 도 4 에 도시된 도를 발생시키기 위해 도 1a 에 도시된 것과 유사한 분광계 어셈블리(14)가 필요하다. 그러나, ILS 레이저(12)는 반도체 다이오드 레이저(76)로 광학적으로 여기된 Tm³⁺,Tb³⁺:YLF 로 제조된 이온 도핑된 결정을 포함하였다.

도 4 는 질소가스에서 수증기의 고농도용 파장 대 정규화된 레이저 강도/수증기의 도를 도시한다. 도 4 는 1450 내지 1455 나노미터 파장간의 파장 영역용 수증기의 스펙트럼 서명을 나타낸다. 1452.5 및 1452.1 에서의 물 흡수 라인은 각각화살표(98, 100)로 표시된다. 이러한 2개 흡수 라인은 로컬 최소 흡수로 분리되는 흡수 특성으로 고려된다. 이러한 2개 흡수 라인은 결합되고 이에따라 단일 흡수 대역 또는 Tm⁺³,Tb⁺³:YLF 펌핑된 다이오드의 대역폭내에서 부합하는 영역이 형성된다. 도 4 는 대략적으로 2개의 흡수 라인에 의해 생성된 물 흡수 대역에 동등한 (실질적으로 약간 큰) 다이오드 레이저 펌핑된 Tm⁺³,Tb⁺³:YLF ILS 레이저의 대역폭을 도시한다. 충분히 높은 농도에서, 이러한 2개 라인을 포함하는 흡수 대역 또는 영역은 ILS 레이저(12)의 동작가능한 대역폭을 (즉, 적어도 상기 대역폭만큼 넓게) 완전히 중첩하고 포함할 것이다. 따라서, ILS 레이저(12)로부터의 출력 강도는 감소되거나 제거될 것이다.

(부분적으로 조 - 체적인) 질소 가스에서 레이저 강도/수증기 흡수 대 물 농도 도면은 도 5 에 도시된다. (질소 가스의 물 정화용으로 인라인 가스 정화기가 사용되었다.) 도 5 는 농도가 증가할 때 흡수 라인에서 ILS 레이저(12)로부터 출력되는 광의 강도가 감소되는 것을 도시한다.

실험 데이터에 의거하여, 곡선(102)은 수증기 농도 증가가 ILS 레이저(12)의 출력 강도를 감소시키는 경향을 확립한다. 수증기 농도가 곡선(102) 에 의해 도시된 것보다 높은 농도로 외삽될 때 곡선(104), 곡선(102)은 ILS 레이저(12)의 강도를 도시한다. 곡선(104)은 수증기의 충분히 높은 농도에서 ILS 레이저(12)의 출력이 완전히 소멸되는 것을 나타낸다.

따라서, ILS 레이저(12)의 잠재적인 또는 동작가능한 대역폭(Δν_laser)이 감시되는 내부 공동 기체 종에 할당된 흡수 대역의 중첩부의 대역폭(Δν_abs)에 동등할 때, 본 발명의 방법 및 장치가 이용되어 기체 종의 농도를 식별 및 측정할 수 있다.

본 발명의 방법을 이용함으로써 실질적으로 ILS 레이저(12) 출력의 파장 분포를 매핑하는 것에 의존하는 종래 기술의 ILS 센서보다 소형이며, 간단하며, 비용이 덜 들고, 또한 사용하기 쉬운 ISL 가스 검출 시스템(10)이 발생된다. 이러한 소형, 보다 낮은 비용, 및 동작의 간단성 결과로서, 본 발명의 가스 검출 시스템(10)은 가스 검출 응용의 완전히 구별되는 세트에 관한 것이다.

따라서, 기체 종의 소정 농도의 존재를 검출하는 방법 및 장치가 설명되었다. 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위으로부터 벗어나지 않고 설멍된 소자의 설계 및 배열에 대하여 다양한 수정이 행해질 수 있다는 것이 당해 기술에 숙련된 당업자에게는 이해될 것이다. 또한, 예를 들어, 반도체 제조 어셈블리에서 ILS 가스 검출기뿐만 아니라 가스 검출 시스템(10)의 응용이 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, ILS 챔버(72)내에서 다양한 소자의 특정한 배치 및 가스 검출기 시스템(10) 자체는 그 구성 및 배치가 ILS 레이저(12)의 광학 여기를 재생가능한 방식으로 적절하게 행하는 한 수정될 수 있다. 당해 기술에 숙련된 당업자에 의해 이후에 개발되거나 이미 알려진 바와 같이 본 발명의 설계, 배열, 및 응용에 있어서 이러한 수정 및 다른 수정은 첨부된 청구범위에 의해 고려된다.

Claims

연속 파장의 적어도 한 개의 대역내에서 광을 흡수하는 기체 종의 특정 농도의 존재를 교정된 범위내의 가스 샘플에서 검출하는 가스 검출 시스템(10)으로서,

(a) (i) 레이저 공동(24) 과 (ii) 이온 도핑된 결정을 포함하는 이득 매체(20)를 포함하는 ILS 레이저(12);

(b) 상기 레이저 공동(24)에 상기 가스 샘플을 포함하고, 상기 이득 매체(20)로부터 방출되는 출력 빔(32)이 상기 레이저 공동(24)을 벗어나기 전에 상기 가스 샘플을 통과하게 하는 컨테이너(22); 및

(c) 절대 레이저 출력 전력 또는 레이저 출력 전력에서의 상대 변화의 양을 정하는 검출기(16)를 포함하고,

상기 기체 종에 의해 유도되는 흡수가 교정 범위내에서 레이저(12)의 전체 출력 강도를 변경하기에 충분히 크며 상기 기체 종이 흡수하는, 연속 파장의 상기 적어도 한 개의 대역내에 완전히 포함되는 파장에서만 동작하도록 상기 ILS 레이저(12)가 구성되는 가스 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 ILS 레이저(12)는 연속 파장의 한 개 영역내에서만 동작하도록 구성되는 가스 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 ILS 레이저(12)는 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지하는 구성요소를 포함하는 가스 검출 시스템.
제 3 항에 있어서,

파장 선택 광학 소자(52)는, 상기 레이저 공동 (24)내에 위치하며, 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지하는 가스 검출 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 이득 매체(20)는 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지할 정도로 좁은 대역폭을 갖거나 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지하는 광학 코팅을 상기 이득 매체상에 갖는 가스 검출 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 컨테이너(22)는 상기 레이저 공동(24)내에 가스 샘플 셀(22)을 포함하고, 상기 가스 샘플 셀(22)은 상기 이득 매체(20)로부터 상기 출력 빔(32)이 상기 가스 샘플을 통과하도록 하는 윈도우(66,68)를 갖고, 상기 윈도우(66,68)중 적어도 한 개는 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지하는 광학 코팅을 상기 윈도우상에 갖는 가스 검출 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 레이저 공동(24)은 적어도 두 개의 거울(26,28)로부터 형성되며, 상기 거울(26,28)중 적어도 한 개는 상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역밖의 파장에서 상기 ILS 레이저(12)가 동작하는 것을 방지하는 광학 코팅을 상기 거울상에 갖는 가스 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,

광학 펌핑 소스(74)는 광 방출을 상기 이득 매체(20)에 전달하여 상기 ILS 레이저(12)를 구동하는 가스 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 기체 종이 흡수하는 상기 대역은, (a) 단일 흡수 특성을 갖고 상기 ILS 레이저(12)는 다중모드 동작을 유지하기에 충분히 넓고 상기 단일 흡수 특성의 파장만을 중첩할 정도로 좁은 동작 대역폭을 갖거나, (b) 복수의 흡수 특성을 갖고 상기 ILS 레이저(12)는 다중모드 동작을 유지하기에 충분히 넓고 상기 흡수 특성중 적어도 한 개에서의 파장만을 중첩할 정도로 좁은 동작 대역폭을 갖는 가스 검출 시스템.
청구항 1 항의 상기 가스 검출 시스템(10)을 이용하여 교정된 범위내에서 가스 샘플의 기체 종의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법으로서,

(a) 상기 기체 종이 상기 교정된 범위내에서 상기 가스 샘플에 많이 존재할 때 연속 파장의 적어도 한 개 대역내에서 상기 기체 종이 광을 흡수하는지를 측정하는 단계;

(b) 청구항 1 항의 상기 ILS 레이저(12) 를 제공하는 단계;

(c) 상기 이득 매체(20)로부터의 출력 빔(32)이 상기 레이저 공동(24)을 벗어나기 전에, 상기 레이저 공동(24)에 포함되는 상기 가스 샘플을 통하도록 상기 이득 매체(20)를 위치시키는 단계; 및

(d) 상기 ILS 레이저(12)에 존재하는 출력 강도를 검출하여 절대 출력 전력또는 상기 ILS 레이저(12) 출력 전력에서의 상대 변화를 정량화하도록 검출기(16)를 위치시키는 단계를 포함하는 가스 샘플의 기체 종의 특정 농도 존재 검출 방법.