KR20010090843A

KR20010090843A - 기체 검출 시스템 및 기체 종의 특정 농도의 검출 방법

Info

Publication number: KR20010090843A
Application number: KR1020017006139A
Authority: KR
Inventors: 엣킨슨죠오지에이치; 필그림제프리에스
Original assignee: 추후기재; 이노베티브 레이저스 코포레이션
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-10-19
Also published as: CN1369060A; TW487800B; EP1131622A1; CA2350980A1; EP1131622A4; US6075252A; WO2000029834A1; KR100401035B1; JP2003518241A

Abstract

기체 샘플에서 조정범위내의 기체 종들의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법 및 장치(10)를 개시한다. 본 발명의 ILS 기체 검출 시스템(10)은 ILS 레이저(12)와 광 검출기(16)를 포함한다. 그러나, 바람직하게, ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭은 감시될 공동 내 기체 종들에 할당된 흡수 대역들 또는 영역들 중 한곳에 전체적으로 포함된다. 따라서, 조정범위 내에서, 기체 종들의 존재는 ILS 레이저(12)의 시간 특성들을 변화시킨다. 결과적으로, 본 발명의 ILS 방법을 이용할 때 흡수를 행하는 기체 종들의 농도를 정량적으로 결정하는데 있어 단지 ILS 레이저(12) 출력의 시간 특성만을 필요로 한다.

Description

공동 내 레이저의 시간 특성들의 감시에 의한 오염 확인 및 농도 결정{CONTAMINANT IDENTIFICATION AND CONCENTRATION DETERMINATION BY MONITORING THE TEMPORAL CHARACTERISTICS OF AN INTRACAVITY LASER}

가장 간단한 형태의 레이저는 두 개의 미러(morrors) 사이에 위치한 이득 매체(a gain medium)를 포함하는 것으로 개략적으로 설명될 수 있다. 레이저 공동내의 광선은 상기 두 미러 사이에서 전후로 반사되며, 이득 매체를 통과할 때마다 매번 광 이득을 생성한다. 제 1 미러상의 미러 코팅은 전체적으로 반사를 행하고, 제 2 미러상의 미러 코팅은 부분적으로 반사를 행함으로써 일부 광이 레이저 공동으로부터 벗어나게 할 수 있다. 이들 미러들의 반사면들 사이의 공간 영역은 레이저 공진기 또는 공동(cavity)을 정의하며, 본 발명의 관점에서 이른바 "공동 내 영역(intracavity region)"에 관련된다. 레이저 출력의 강도는 이득 매체가 동작하는 파장 영역과 공진기 요소의 반사성의 함수이다. 정상적으로, 이 출력은 넓으며, 예리하고 특이한 스펙트럼 특성이 없다. 원자, 분자, 래디칼 또는 이온과 같은 기체 종들에 대한 레이저 분광법을 통한 확인에는 레이저 출력이 이들 종들이 흡수를 행하는 파장 영역에 있어야 함을 요한다. 기체 종에 대한 검출을 위한 통상적인 레이저의 응용에서, 이온화 또는 형광과 같은 2차 신호를 생성하기 위해, 레이저외부에 있는기체 샘플을 여기시키는 데에 레이저 방사가 이용된다. 대안적으로, 통상적인 흡수 분광법에서는, 레이저 광선이 레이저바깥에위치한 기체 샘플을 통과하며, 파장에 따라 변화하는 감쇄가 감시된다.

대략 20 년 전에, 또 다른 검출 방법인 공동 내 레이저 분광법(ILS)이 처음 밝혀졌다. 예컨대, G. Atkinson 등에 의해Journal Of Chemical PhysicsVol. 59, pp350 - 354 (1973년 7월 1일)에 발표된 "공동 내 다이 레이저 기술에 의한 자유래디칼의 검출 기법(Detection of Free Radicals by an Intracavity Dye Laser Technique)"을 참조 바란다. ILS에서는, 레이저는 자체적으로 검출기로서 이용된다. 분석될 기체 샘플이 다중모드의 동질적으로 넓어진 레이저의 광 공동 내로 삽입된다. 앞서의 논문에서, Atkinson 등은 광 공동 내에서 기체분자, 원자, 래디칼 및/또는 이온들을 이들의 그라운드 또는 여기 상태에 놓음으로써 레이저 출력이 변경될 수 있음을 보여주었다. 특히, 공동 내 종들의 흡수 스펙트럼이 레이저의 스펙트럼 출력에서 나타난다.

레이저 출력에서의 독특한 흡수 특성들이 흡수를 행하고 있는 기체 종들에 의해 초래되는 공동 내 손실로부터 나타난다. (여기서, 이용되는 흡수 특성은 일련의 연속 파장에 대응하며, 여기서 광 강도는 광 강도 대 파장의 표시(plot)에서 광 강도의 단일 국부적 최소치에 도달한다.) 다중모드 레이저에서, 공동 내 흡수 손실은 정상 모드 동작(the normal mode dynamics)을 통해 레이저 이득과 서로 경합된다. 결과적으로, 보다 강한 공동 내 흡수 특성들이 레이저의 이득에 대해 효과적으로 경합하는 파장에서 레이저 출력 강도에서의 감쇄가 더욱 증대하게 된다. 흡수 특성이 강할수록, 그러한 파장에서의 레이저 출력 강도가 더 크게 감소한다.

레이저 공진기 내에 흡수를 행하는 기체 종들을 삽입함으로써, ILS는 통상적인 분광법을 통해 증대된 검출 감도를 제공할 수 있다. ILS 기술의 증대된 검출 감도는 (1) 레이저 이득 매체에서 생성된 이득과 (2) 흡수재 손실 사이에서 비 선형적으로 경합함에 의하여 초래된다. 결과적으로, ILS는 약한 흡수 및/또는 극도로 적은 흡수재 농도를 검출하는데 이용될 수 있다.

광 공동에서의 각 기체 종들은 그것의 각각의 흡수 스펙트럼 또는 시그네춰 에 의해 독특하게 식별될 수 있다. 추가적으로, 스펙트럼 시그네춰에서의 특정 흡수 특성(들)의 강도는 일단 센서가 적절히 조정되면 기체 종들의 농도를 결정하는데 이용될 수 있다. (여기서 이용되는 용어 "스렉트럼 시그네춰" 는 기체 종들을 독특하게 식별하는 흡수 강도 또는 흡수에 대해 표시된 파장에 대응한다.)

기체 종들의 스펙트럼 시그네춰는 파장에 관하여 ILS 레이저의 출력을 분산함으로써 얻어질 수 있다. ILS 레이저의 출력을 분산하여 기체 종들의 스펙트럼 시그네춰를 얻기 위해 두 가지 검출 방법이 전형적으로 이용된다. ILS 레이저의 출력은 파장이 고정된 분산 분광계를 통과할 수 있으며, 이 분광계에 의해 분해되는 특정 스펙트럼 영역은 다중채널 검출기를 이용하여 기록될 수 있다. 발명의 명칭이 "공동 내 레이저 분광법(ILS)을 통한 초 감도 기체 검출용 다이오드 레이저 펌핑 레이저 시스템(Diode Laser - Pumped Laser System for Ultra - Sensitive Gas Detection via Intracavity Laser Spectroscopy (ILS))" 인 1998년 5월 5일자로 G, H, Atkinson 등에게 허여된 미국 특허번호 제 5,747,807 호를 참조 바란다. 대안적으로, 파장으로 주사될 수 있는 스펙트로메터는 단일채널 검출기로 기록되는 서로 다른 스펙트럼 영역들을 선택적으로 분해하는데 이용될 수 있다.

종래의 ILS 검출 시스템은 검출될 공동 내 종들의 흡수 스펙트럼에서 흡수 특성들의 대역폭에 비해 실질적으로 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저를 사용한다. 발명의 명칭이 "오염물들에 대한 고감도 검출용 공동 내 레이저 분광기(Intracavity Laser Spectroscope for High Sensitivity Detection ofContaminants)" 인 1997년 11월 18일자로 G, H, Atkinson 등에게 허여된 미국특허번호 제 5,689,334호를 참조 바란다. 특히, 이 레이저 시스템들은 감시되는 기체 종들의 흡수 특성들에 비해 적어도 3배 넓은 동작 파장 대역폭을 취한다.

그러나, ILS를 수행하는 종래의 방법은 비록 연구실에서는 성공적임을 보여 주었지만은 많은 상업적 이용 측면에서 너무 크고 복잡하다. 특히, 분광계가 레이저의 스펙트럼 출력을 분산해야하고 또한 컴퓨터가 흡수 특성들을 분석해야 하는 요건은 검출 시스템의 크기 및 복잡성을 가중시킨다. 대조적으로, 상업적 현실의 제약은 기체 검출기가 간편한 크기로서 비교적 저렴하고 신뢰성이 있어야 함을 지시하고 있다.

시간 특성들에 근거하여 오염 농도를 측정하는데 이용되는 한 방법은 "공동 링다운(cavity ringdown)"이라 불리운다. 이와 같은 방법은 펄스 광 소스를 이용하여 광 흡수를 측정할 수 있게 해주며 안정된 연속 광 소스들을 이용하여 얻어지는 것보다 큰 감도를 제공해준다. 이 방법은 밀폐된 광 공동 내에 제한된 광 펄스의 흡수 크기보다는 오히려 흡수 비율의 측정에 기반을 두고 있다. 공동 링다운의 예들이 예컨대 O'Keefe 등이Reviews of Scientific Instruments, Vol. 59, No. 12, pp2544 - 2551(1988년 12월)에 발표한 "펄스 레이저 소스를 이용한 흡수 측정용 공동 링다운 광 분광계", J. J. Scherer 등이Chemical Reviews.Vol. 97, No. 1, pp. 25 - 52(1997년 2월 5일)에 발표한 "공동 링다운 레이저 흡수 분광법: 역사, 개발 및 펄스 분자 빔으로의 응용", 1996년 6월 18일자로 K. K. Lehman 에게 허여된 미국 특허번호 제 5,528,040호 및 1998년 9월 29일자로 R. N. Zare등에게 허여된 미국 특허 제 5,815,277호에 기술되어 있다.

공동 링다운 레이저 흡수 분광법은 잘 알려져 있으며, 기체 위상에서 트레이스 오염을 검출하는데 성공적으로 이용되는 기술이다. 그러나, 이는 여러 가지 양상에서 본 발명과 차이가 있다. (1) 공동 링다운은수동광 공진기로 실시된다. 즉, 이득 매체와 같은 능동 광 요소가 없다. 이와 대조적으로 본 발명은 능동 광 공진기, 특히 레이저 공진기 내에서의 시간 현상(temporal phenomena)의 측정 및 특징화에 관한 것이다. (2) 공동 링다운 공진기를 빠져 나오는 포톤 펄스(photon pulse)가 수동 공진기 내로 입사되는 레이저 펄스의 라운드 트립 시간 (round trip time)에 의해 주기적으로 이격(spaced) 된다. 이와 대조적으로, 본 발명의 시간 현상은 포톤 펄스를 포함할 수도 있고 전혀 포함하지 않을 수도 있다. 포톤 펄스가 생성 및 측정되는 경우에, 이 펄스는 일치되는 때를 제외하고는 공동 라운트 트립 시간에 의해 이격되지 않는다. (3) 공동 링다운 공진기를 빠져 나오는 포톤 펄스들이 제로 출력 강도로 쇠퇴한다. 이와 대조적으로, 본 발명에서 포톤 펄스가 생성되는 경우, 이 펄스들은 레이저의 연속적인 파형 (cw) 출력 파워에 의해 주어지는 안정한 상태의 비 제로 출력 강도로 쇠퇴한다. (4) 공동 링다운에서, 흡수재의 존재는 수동 공진기를 빠져 나오는 포톤 펄스들의 주기가 광의 속도 및 공동 길이에 의해 결정되는 라운드 트립 시간으로 결정될 때 이를 변화시키지 않는다. 이와 대조적으로, 본 발명에서의 흡수재의 존재는 능동 공진기를 빠져 나오는 포톤 펄스들의 주기를 변화시킬 수 있고 그리고 일반적으로 변화시킨다.

따라서, 분광계 및 컴퓨터의 필요성을 배제시킴으로써 (1) ILS 측정의 복잡성과 (2) ILS 장치의 크기를 상당히 줄이는 방법에 대한 필요성이 여전히 남아있다.

발명의 개요

본 발명에 따라서, ILS 레이저를 활용하는 조정 범위 내에서 기체 샘플의 기체 종들의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법이 개시된다. 이 방법은

(a) ILS 레이저가 적어도 하나의 측정 가능한 시간 특성을 갖는지를 결정하는 단계-여기서, 기체 종들은 광선을 흡수하고, 기체 종들에 의해 유도된 흡수는 조정 범위 내에서 레이저의 시간 특성들을 측정하도록 변화시키기에 충분히 크며-와,

(b) ILS 레이저에 (i) 레이저 공동과 (ii) 이득 매체를 제공하는 단계-여기서 ILS레이저는 적어도 하나의 측정 가능한 시간 특성을 가지며-와,

(c) 이득 매체로부터의 출력빔을 레이저 공동을 빠져 나오기 전에 레이저 공동 내에 포함된 기체 샘플을 통과하도록 이득 매체를 설치하는 단계와,

(d) 레이저의 시간 특성에서의 변화를 검출하도록, 적어도 하나의 시간 특성을 검출하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 검출기를 설치하는 단계를 포함하고 있다.

추가로, 기체 샘플에서 기체 종들의 조정 범위 내에서 특정 농도의 존재를 검출하기 위한 기체 검출 시스템이 제공되는데, 여기서 기체 종들은 연속적인 파장들의 적어도 하나의 단일 대역 내에 있는 광선을 흡수하며, 그럼으로써 ILS 레이저의 출력의 시간 특성들을 특정량 만큼 변화시킨다. 이 기체 검출 시스템은 (a) (ⅰ)레이저 공동과 (ii) 이득 매체를 포함하는 ILS 레이저-여기서, ILS 레이저는 기체 종들이 흡수를 행하며 기체 종들에 의해 유도된 흡수가 조정 범위 내에서 레이저의 시간 특성(들)을 측정 가능하게 변화시키기에 충분히 큰 파장 영역에서 동작할 때 적어도 하나의 측정 가능한 시간 특성을 가지며-와,

(b) 레이저 공동에 기체 샘플을 포함하는 컨테이너-여기서, 컨테이너는 이득 매체로부터 나오는 출력빔이 레이저 공동을 빠져 나오기 전 기체 샘플을 통과하도록 하며-와,

(c) 시간 특성(들)을 측정하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 검출기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 발명자들은 종래 기술에 개시된 어떠한 ILS 레이저 시스템 보다 구성에 있어 보다 작고 간단하며 비용이 적게되는 상업적으로 실용 가능한 오염 센서 시스템을 고안하였다.

본 발명의 기타 목적, 특징 및 장점들이 다음의 상세한 설명 및 첨부도면을 참조할 때 명확하게 될 것이며, 도면 전체에서 동일 부호들은 동일 기능들을 나타낸다.

본 설명에서 참조되는 도면들은 특별히 언급되는 것을 제외하고는 축척으로 도시되지 않음을 이해해야 할 것이다.

본 출원은 1998년 10월 2일 동일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/165,884호 및 제 09/166,003호와 관련된다. 전자의 출원은 어떠한 파장 선택 요소(들)도 가지지 않는 ILS 레이저를 이용하여 전체 레이저 출력 강도가 기체 종 농도(gaseous species concentrations)를 결정하는데 이용되도록 하는 것에 관한 것이며, 후자의 출원은 센서의 스펙트럼 출력에서의 변화를 측정하기 위해 파장 선택 요소를 갖는 ILS 레이저를 이용하여 기체 샘플에서 특정한 기체 종 농도의 존재를 검출하는 방법에 관한 것이다. 본 출원은 기체 종의 존재시 ILS 레이저의 변화된 시간 특성(temporal characteristics)을 검출하여 기체 종의 특정 농도를 결정하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로 기체에서의 오염물의 검출에 관한 것이며, 보다 구체적으로 공동 내 레이저 분광법(intracavity laser spectroscopy)이라고 일반적으로 일컬어지는 레이저 기술을 통한 기체 분자, 원자, 래디칼(radicals) 및/또는 이온들에 대한 고 감도 검출에 관한 것이다.

도 1a는 ILS 레이저, 분광계 어셈블리, 광 검출기 및 광 검출기로부터의 전기 출력을 분석하는 컴퓨터를 포함하는 종래 기술의 검출 시스템에 대한 단면도,

도 1b는 강도와 파장의 좌표에서, (i)흡수를 행하는 기체 종들이 레이저 공동에 나타날 때와(ii) 흡수를 행하는 기체 종들이 레이저 공동 내에 존재하지 않을 때의 종래 기술의 ILS 레이저의 스펙트럼으로 분해된 출력의 표시를 보인 도면,

도 2는 ILS 레이저와 광 검출기를 포함하는 본 발명의 기체 검출 시스템에 대한 단면도,

도 3은 본 발명의 ILS 레이저의 다른 실시 예에 대한 개략도,

도 4는 강도와 시간의 좌표에서, ILS 레이저의 시간 출력의 발진 성질을 보여주는 본 발명의 ILS 레이저의 시간 분해되는 출력의 표시를 보인 도면,

도 5는 레이저 공동 내에서 흡수를 행하는 기체 종이 (i) 존재하지 않는 경우와 (ii) 검출 수준으로 존재하는 경우에 대한 본 발명의 ILS 레이저의 시간 분해되는 출력의 표시를 보인 도면,

도 6은 시간 (μs)과 농도 (부분적으로 백만 당) 좌표에서, 흡수재 기체, 여기서는 CO₂의 농도에 따른 ILS 레이저 동작 개시 시간에서의 변화의 표시를 보인 도면.

본 발명을 실시하는데 있어 본 발명자들에 의해 현재 예측되는 최적 실시예를 예시하는 본 발명의 특정 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 또 다른 실시예도 또한 간단히 적절하게 설명된다.

본 발명은 ILS 센서를 이용하여 기체 종을 극도로 고 감도로 검출하는 것에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용된 "기체 종"이란 용어는 실리콘 필름을 제조하는데 사용되는 것들과 같은 기체 물질에 나타날 수 있는 분자, 원자, 래디칼 및/또는 이온 종들을 말한다. 따라서, 본 발명인 ILS 기체 검출 시스템은 기체 물질 (예컨대, 질소)내의 오염물 (예컨대, 물)의 존재를 검출하는데 이용될 수 있다. 대안적으로, ILS 검출은 기체 라인 (예컨대, 질소 기체라인)이 기체물질 (즉, 물)로 충분히 정화되는지를 결정하는데 이용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b 는 ILS 검출을 수행하는 종래의 방법을 개략적으로 예시하는 것이다. 특히, 도 1a에 ILS 레이저(12), 분광계 어셈블리(14), 광 검출기 (16) 및 광 검출기에서 나오는 전기 출력을 분석하는 컴퓨터(18)를 포함하는 ILS 기체 검출 시스템(10)의 단면도가 도시되어 있다.

도 1a에 보인 ILS 레이저(12)는 미러(26,28)간의 전체 광 경로 길이에 의해 정의되는 광 공진기(24)내에 위치되는 이득 매체(20)와 기체 샘플 셀(22)을 포함한다. ILS 레이저(12)는 이득 매체(20)에 광 방사를 전달함으로써 ILS 레이저(12)를 구동하는 광 펌핑 소스와 같은 펌핑 소스 (도시 않됨)를 추가로 필요로 함을 알 수 있을 것이다.

도 1a는 이득 매체(20)내에서 발생되는 레이저광이 기체 샘플 셀(22)로 향하여 그 안에 있는 기체 샘플을 통과함을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이, 광 공진기 또는 레이저 공동 (24)내 및 특히 기체 샘플(22) 내의 기체 종들은 만일 흡수 특성들이 ILS 레이저(12)가 동작하는 파장영역에 위치되는 경우 흡수 손실을 야기할 수 있다. 따라서, ILS 레이저(12)의 출력 빔(32)은, ILS 레이저를 빠져 나오는 출력빔이 기체 종들의 스펙트럼 시그네춰에서의 흡수 특성들과 동일한 흡수 특성들을 포함하는지를 결정함으로써 레이저 공동(24)내 흡수 기체 종들이 존재하는지를 확인하기 위해 분석될 수 있다. 상기 스펙트럼 시그네춰는 강도 및 파장에 대한 정보를 포함하고 있음을 주목해야 한다.

여기서 이용되는 흡수특성은 흡수라인 즉, 광 강도에서 단일의 국부적 최소치를 포함하고 둘러싸고 있는 파장 대 광 강도의 표시에서 (즉, 흡수가 최대치에 도달하는 곳에서) 관찰 가능한 연속적인 파장 영역에 대응한다. 각 흡수라인은 유한 대역폭 및 흡수가 최대치에 도달하는 (또는 출력 강도가 최소치에 도달하는) 지점을 갖는다. 본 발명에 관하여, 흡수 특성들은 흡수 특성을 구성하는 모든 파장들이 기체 종들이 흡수를 행하는 파장들이기 때문에 중요하다.

추가로, 여기서 이용되는 용어 "흡수 대역"은 각 파장에서 흡수가 발생하는 흡수 스펙트럼내의 단일 연속 파장 영역으로서 정의된다. 따라서, 흡수 스펙트럼이 어떠한 흡수도 감시되지 않는 영역 B에 의해 분리되는 두 개의 흡수라인 (A₁,A₂)을 포함하면, 이 두 개의 흡수라인 (A₁,A₂)은 개별의 흡수 대역에 대응한다. 그러나,두 개의 흡수라인 (A₁,A₂)이 단지 국부적 흡수 최소치(또는 강도에 있어 국부적 최대치)에 의해 분리되면, 두 개의 흡수라인 (A₁,A₂)은 단일의 흡수대역에 대응한다. 예컨대, 제 1 농도에서 개별적으로 다른 흡수라인들은 서로 결합하여 단일 흡수 대역을 형성한다. 온도, 발생시간 및 펌핑 파워가 또한 출력 스펙트럼 및 측정 흡수 스펙트럼에 영향을 줄 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 측정 흡수 스펙트럼에서의 흡수 대역의 수는 또한 온도, 발생시간 및 펌핑 파워에 따라 변할 수 있다.

검출되는 흡수 대역의 수는 흡수 공동 내 종들의 농도에 따라 변한다.

ILS 레이저(12)의 스펙트럼 출력을 분석하기 위해, ILS 레이저에서 나오는 ILS 출력빔(32)이 분광계 어셈블리(14)에 전송되며 이 분광계 어셈블리(14)는 파장에 따라 출력빔을 분산한다. 도 1a에서, 회절 격자(diffraction gratings) (38, 40)는 파장에 따라서 ILS 레이저(12)를 빠져 나오는 출력 빔(32)을 분산한다. 렌즈(34, 36)는 회절 격자(38, 40)에 입사되기 전 출력 빔 (32)을 확장한다. 렌즈(42)는 분광계 어셈블리(14)의 출력을 광 검출기(16)에 접속시킨다.

하나의 종래 기술의 방법에서, (1) 분광계 어셈블리(14)는 파장에 따라서 주사될 수 있는 분산 광 요소를 포함하며, (2) 광 검출기(16)는 단일 채널 검출기를 포함한다. 도 1a는 이러한 주사 분산 광 요소를 회절 격자(38)로서 도시한다.

레이저 공동(24)에서의 기체 종들의 스펙트럼 시그네춰는 분광계 어셈블리(14)를 통해 투과된 광이 광 검출기(16) 앞에 놓인 적절한 개구(46)를 관통하는 동안에 분산 광 요소(38) (격자)를 주사하여 얻게 된다(개구(46)는 간단히슬릿으로 구성된다). 분광계 어셈블리(14)를 통해 투과된 광의 강도는 회절 격자(38)가 주사될 때 광 검출기(16)에 의해 측정된다. 광 검출기 (16)는 이 강도를 표시하는 전기 신호를 출력한다. (예컨대, 이 전기 신호는 ILS 레이저 강도와 비례한다). 추가로, 분광계는 각 파장을 나타내는 전기 신호를 컴퓨터에 전송한다. 이러한 방식으로, 컴퓨터(18)는 광 검출기(16)에 의해 결정되는 강도를 분광계 어셈블리(14)에 의해 결정되는 파장과 상관시킨다. 따라서, 분광계 어셈블리(14)와 광 검출기(16)는 컴퓨터(18)와 연계하여 동작하여, ILS 레이저(12)로부터 나오는 출력 빔(32)의 스펙트럼 분포가 측정될 수 있게 한다.

도 1b는 종래 기술의 ILS 검출 방법으로부터 얻어지는 데이터의 소트(sort)를 개략적으로 예시한 것이다. 곡선(48)은 파장을 주사하고 분광계 어셈블리(14)를 통해 투과되는 광의 강도를 측정함으로써 얻어지는 전형적인 스펙트럼 분산식의 ILS 레이저 출력 스펙트럼 (또는 흡수 스펙트럼)을 나타낸다. 흡수 특성들이 위치되는 파장들에서, ILS 레이저(12)의 강도가 감쇄된다. 화살표(49)는 6개의 그러한 흡수 특성들을 표시한다. (곡선(50)은 흡수 기체 종들이 존재하지 않는 ILS 레이저(12)의 스펙트럼 분포를 나타낸다.)

컴퓨터(18)는 곡선(48)에 도시된 흡수 스펙트럼을 이용하여 기체 종들을 식별한다. 특히, ILS 레이저(12)의 출력 스펙트럼 내의 여러 흡수 특성들을 포함하는 흡수 스펙트럼이 측정되고, 감시될 기체 종들의 기지의 스펙트럼 시그네춰와 비교된다. 기체 종들의 특정 흡수 특성들의 위치 및 상대적인 강도는 검출될 기체 종들을 전용으로 식별하는데 이용될 수 있다. 레이저 공동(24) 내에서의 공동 내 기체종들의 농도 또는 양은 크기들이 기지의 농도로 사전에 조정될 때 흡수 스펙트럼에서 발견되는 흡수 특성(들)의 크기로부터 결정될 수 있다.

다른 종래 기술 방법에서, (1) ILS 레이저(12)로부터 나오는 출력 빔(32)이 고정된 분산 광 요소를 갖는 분광계를 통과하며(즉, 격자(38 및 40)는 주사되지 않는다), (2) 광 검출기(16)는 다중채널 검출기 어레이를 포함한다. ILS 레이저(12)가 동작하는 스펙트럼 영역은 분광계 어셈블리(14)에 의해 생성되고, (다중채널 어레이) 광 검출기(16)를 통해 공간적으로 변위된다. 광 검출기(16)의 앞에 놓이는 개구(46)(존재하는 경우)는 검출기 어레이내의 복수의 검출기들을 조명할 수 있을 정도로 충분히 커서 다중 파장들이 검출기 어레이의 다중 검출기들에 의해 동시에 트래킹된다.

따라서, 분광계 어셈블리(14)에 의해 분해되는 특정 스펙트럼 영역이 (다중채널 어레이) 광 검출기(16)로 동시에 측정된다. 컴퓨터(18)는 (다중채널 어레이) 광 검출기(16)를 동작시키며 다중 검출기로부터 측정되는 강도를 판독한다. 추가로, 분광계 어셈블리(14)는 분광계 어셈블리(14)에 의해 분리되는 파장을 나타내는 전기신호를 컴퓨터(18)에 전송한다. 컴퓨터(18)는 (다중채널 어레이) 광 검출기(16) 및 분광계 어셈블리(14)로부터 나오는 전기 신호들을 각각 강도 및 파장으로 변환하도록 프로그램된다. 이러한 방식으로, 컴퓨터는 광 검출기(16)에 의해 결정되는 강도를 분광계 어셈블리(14)에 의해 결정되는 파장과 상관시킨다.

따라서, 분광계 어셈블리(14)와 (다중채널 어레이) 광 검출기(16)가 컴퓨터(18)와 연계하여 ILS 레이저(12)로부터 나오는 출력 빔(32)의 스펙트럼 분포를 측정 및 기록하는 동작을 한다. 도 1b에 도시한 것과 유사한 흡수 시그네춰가 생성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 스펙트럼 시그네춰는 레이저 공동(24)내의 기체 종들을 식별하는데 이용된다. 컴퓨터는 ILS레이저(12)의 출력 스펙트럼 내에 수많은 흡수 특성들 또는 라인들을 포함하는 측정 흡수 대역들을 기록하며, 이 대역들을 감시 될 기체 종들의 기지의 스펙트럼 시그네춰와 비교한다. 공동 내 종들의 농도는 일단 크기가 기지의 농도를 이용하여 조정되면 스펙트럼 시그네춰에서 발견되는 흡수 특성(들)의 크기로부터 결정될 수 있다.

그러나, 이들 종래 기술의 방법들은 흡수가 최소인 흡수 특성을 둘러싸는 파장 영역과 흡수 특성에 대응하는 파장을 포함하는 복수의 파장에서 강도를 측정 및 기록함으로써 강도 대 파장 도면을 효율적으로 생성하기 위해 컴퓨터(18)를 필요로 함을 알 수 있을 것이다.

이와 대조적으로, 본 발명의 방법은 개념적으로 이들 종래 기술의 방법보다 간단하다. 복수의 파장에 걸친 강도 분포를 감시하기 보다는, 본 발명의 방법은 소정의 파장 영역 내에서 동작 시 즉, 광을 생성하는 동안 ILS 레이저(12)의 하나 이상의 시간 특성들을 단지 결정하는 것만을 포함하고 있다. ILS 레이저(12)의 스펙트럼 내의 다수의 흡수 특성들을 측정 및 기록하는 것은 필요치 않다.

종래 기술의 방법은 파장의 함수로서 레이저 출력 강도를 측정하는 것에 의존한다. 본 발명의 방법은 시간의 함수로서 레이저 출력 강도를 측정하는 것에 의존한다. 이 측정은 단지 하나의 채널 검출기를 이용하여, ILS 레이저와 검출기 사이에 어떠한 파장 선택 요소(들)도 없다. 종래 기술의 방법에서, 사용되는 파장 선택 광 요소의 분산성능에 의해 종종 감도가 제한되었다. 본 발명에서, 이들 요소들은 불필요하다. 따라서, 감도는 다른 요인들, 예컨대 검출기의 시간 대역폭, 타이밍 지터(timing jitter) 및/또는 이득 펌핑 안정성에 의해 제한된다. 본 발명에서 이들 제한들을 감소시키기 위한 기술적 해결책들이 일반적으로 유용하며, 업계의 상당한 연구 노력으로 기술적으로 계속해서 향상되고 있다. 종래 기술의 방법에서 감도제한은 분산 증가가 일반적으로 장비의 크기 증가를 의미하기 때문에 더욱 곤란하다.

본 발명의 방법은 ILS 기체 검출에 있어서 다른 관점에서 종래 기술과 개념적으로 다르다. 즉, 본 발명에서 사용되는 검출기(16)는 측정되는 시간 특성에 관한 시간 대역폭을 갖는다. 종래의 ILS의 검출방법들은 광다이오드 어레이, 본 경우에서는 분광계 또는 파장이 고정된 파장 선택 요소인 검출기(16)를 사용하거나 주사 파장선택 광 요소와 연결하여 사용되는 단일 채널 검출기를 사용한다. 이 검출기의 역할은 파장 선택 형광학 요소의 분리 파워에 의하여 결정되는 특정 또는 일련의 파장에서 ILS를 빠져 나오는 광의 강도를 측정하는 것이다. 종래의 방법에서, 시간 검출기의 감도, 동적 범위 또는 픽셀 이격 거리는 무엇보다도 중요했다. 검출기의 시간 대역폭은 검출기가 측정 주기(수십 내지 수백 마이크로초) 동안 ILS 레이저 출력에 응답하여 신호를 실제로 발생시키기에 충분히 빠른 한 일반적으로 중요하지는 않았다. 이 측정 범위보다 훨씬 빠른 시간 대역폭을 갖는 검출기는 종래 기술의 방법에 따른 감도 성능을 결과적으로 높일 수 없을 것이다. 높은 시간 대역폭은 필연적으로 상기 측정 주기를 통해 적분될 것이다. 사실, 높은 시간 대역폭은 ILS 신호와 관계가 없는 높은 주파수 잡음 성분들의 픽업을 일으킬 수 있을 때 불리하게 될 것이다.

본 발명에서, 검출기의 시간 대역폭은 무엇보다도 중요하다. 요구되는 실제 시간 대역폭은 측정될 특정의 시간 현상, ILS 레이저 구성 및 ILS 레이저 동작 파라미터 에 좌우된다. 예컨대, 펌핑 프로세스의 시작과 ILS 레이저 동작의 개시 사이의 시간지연은 펌핑 파워, 공진기 배열, 레이저 수정(crystal) 온도, 공동 내 흡수재의 존재등에 따라서 마이크로 초 이하에서 수 밀리 초로 변할 수 있다. 다른 한편으로, 개별 광자 펄스 이벤트는 나노 초 정도에서 발생할 수 있다. 펄스 형상을 측정할 수 있는 검출기는 이벤트 길이 및 바람직하게는 크기 또는 보다 빠른 정도와 비교될 수 있는 시간 대역폭을 필요로 할 수 있다. 서로 다른 ILS 검출기들이 또한 시간 현상이 능동 매체의 특별한 이득 특성과 관계할 때 검출기의 시간 대역폭에 대해 서로 다른 요구조건들을 갖게될 것이다.

고체 상태 레이저의 공동 내 흡수재의 존재에 대한 시간 응답이 조정 범위내에서 흡수재의 특정 농도를 결정하는데 이용된다. 반도체 레이저는 펌핑 프로세스의 결과로서, 잘 정의된 시간 특성의 영향을 받는다. 특정의 일례는 이완 발진의 존재이다. 이들 이완 발진은 레이저 공동 이득 및 손실 특성에 민감하게 좌우된다. 따라서, 공동 내 흡수재에 의한 손실은 이완 발진 시간 프로파일에 대한 섭동을 야기할 수 있다.

ILS 레이저(12)의 시간 특성에 대한 의존의 결과로서 여러 가지 특징이 존재한다.

예를 들어, 시간 영역 내의 레이저 프로파일만이 결정될 필요가 있는 경우에는, 분광계 즉, 파장 선택 요소가 ILS 레이저 외부에 필요하지 않다. 더욱이, 이완 발진 주기를 분해할 수 있는 시간 대역폭 및 다른 시간 특성을 갖는 단일 채널 검출기만이 요구된다. 광다이오드 어레이는 필요하지 않다. 그러나, 더 높은 시간 대역폭을 갖는 검출기가 단일 출력 펄스의 라인 형상의 변화를 측정할 수도 있다.

공동 내 기체 종 흡수에서의 변화에 반응하는 ILS 레이저의 시간 출력의 어떤 특징은 조정 소스로서 사용될 수도 있다. 이들은 다음의 사항, 즉

(1) ILS 레이저의 초기 펌핑과 레이저 동작의 개시 사이의 지연

(2) 이완 발진의 주기와 주파수 중 적어도 어느 하나

(3) 펄스의 수의 함수로서 이완 발진 주기의 증가 또는 감소

(4) 지수 또는 쌍지수 감쇄 프로파일의 경우 이완 발진 쇠퇴의 수명

(5) ILS 레이저 시간 프로파일의 전부 또는 일부를 분석 파형에 부합시킨 결과로서의 부합 파라미터에서의 임의의 변화

(6) 수치 알고리즘에 의한 ILS 레이저 시간 프로파일의 전부 또는 일부를 부합시킨 결과로서의 부합 파라미터에서의 임의의 변화

(7) 하나 이상의 개별 출력 펄스들의 라인 형상

(8) 공동 내 기체 상태 흡수재가 존재하는 동안 동작 파라미터에서의 변화에 대한 시간 프로파일의 응답

(9) ILS 레이저 출력이 무질서한 경우 공동 내 기체 종의 존재에 응답하여이루어지는 기체 검출 시스템의 무질서 특성에서의 양적인 증가 또는 감소를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

본 발명의 실시에 있어서는, 전체 시간 분해 레이저 프로파일이 단일 채널 검출기(16)에 의해 얻어지기 때문에 어떠한 음향-광 변조기 또는 시간 레이저 출력 제어도 요구되지 않는다.

시스템은 또한 광대역에서 동작할 수 있지만, 박막, 복굴절 튜너, 격자 등과 같은 공동 내 파장 선택 요소는 ILS 레이저 스펙트럼 대역폭을 제한하여 오직 공동 내 기체 종의 흡수 특징(들)과 일치하도록 ILS 레이저(12)의 시간 응답을 향상시킬 수 있다. 공동 내 파장 선택 요소는 선택 사양이기 때문에 도 2 및 도 3에서의 참조번호(52)의 가상선으로 도시되어 있다.

ILS 레이저(12)는 하나 또는 다수의 종방향 모드 및 하나 또는 다수의 횡방향 모드로 동작할 수 있다.

컴퓨터(18)는 데이터 획득 및 분석의 복잡성 여부에 따라 선택적으로 사용된다. 예를 들어, 컴퓨터는 시간 지연(전술한 아이템(1))에 기초하여 시스템을 동작시킬 필요가 없다.

비 부식 기체 또는 허용 가능한 정도로 느린 응답 시간의 경우에 전체 레이저 공동(24)은 기체 셀(22)로서 기능을 수행할 수 있다. 대안적으로, 더 빠른 응답 시간 및 부식 기체와의 호환성을 위해 공동 내 기체 셀(22)이 포함될 수 있다.

ILS 레이저(12)의 시간 프로파일에 영향을 미치는 외부 조건들은 정량화 되거나 조정되거나 제어되어야 한다. 예를 들어, 전술한 아이템(1)의 시간 지연은 주변 (시스템) 온도 및 펌핑 레이저 파워에 민감하게 좌우된다. ILS 레이저(12)의 시간 프로파일에 영향을 미치는 다른 외부 조건들은 펌핑 레이저의 듀티 사이클, 펌핑 레이저 분극화, 펌핑 레이저 펄스의 길이 및 레이저 결정 온도를 포함하지만, 그러나 이러한 조건에 국한되는 것은 아니다.

오염물 또는 알려지지 않은 기체의 존재로 인하여 올바른 판독이 불가능할 수도 있기 때문에, 시스템(10)은 특정 세트의 기체 샘플 성분에 대해 조정되어야 한다.

여러 가지 이유로 인해 기체 종에 의해 생성되는 흡수 특성의 스펙트럼 대역폭에 비해 실질적으로 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 사용하는 것을 선호할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 스펙트럼 신호의 다양한 흡수 특성에 의해 컴퓨터(18)는 검출될 특정의 기체 종을 식별할 수 있게 된다. 따라서, 흡수되고 있는 기체 종을 식별하는 종래의 방법은 한가지 이상의 흡수 특성을 포함할 수 있을 정도로 큰 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)에 의존한다. 또한, ILS 기술의 향상된 검출 감도는 주로 다수의 모드 레이저의 비선형 이득 대 손실 경쟁으로부터 유도되기 때문에, 다수의 종방향 모드를 갖는 ILS 레이저(12)가 가장 바람직하다. 따라서, 종래의 방법은 다수의 종방향 모드를 포함할 수 있을 정도로 큰 스펙트럼 대역폭을 갖는 ILS 레이저(12)를 사용한다.

그러나, 본 발명의 ILS 레이저는 공동 내 흡수재의 흡수 대역폭 미만으로 스펙트럼 대역폭이 감소함에 따라서 점점 더 민감해질 것이다. 본 발명은 하나의 스펙트럼 대역폭이 단일 종방향 모드로 감소할 때 센서로서도 동작할 수 있다. 종래기술에 있어서, 감도는 협대역 흡수재가 존재할 때 광대역 레이저의 발진 레이저 모드간의 경쟁으로부터 유도된다. 본 발명에서, 레이저의 시간 특성이 레이저 공진기의 이득 및 손실 특성에 좌우된다. 협대역 공동 내 흡수재가 존재할 때 시간 특성은 변한다. 공동 내 흡수재에 의해 도입되는 손실이 전체 공진기 손실의 상당한 부분을 차지할 때 이러한 변화는 악화된다. 따라서, 공동 내 흡수 특성에 대한 직접적인 협대역 레이저 동작은, 공동 내 흡수재가 도입될 때, ILS 레이저 시간 특성에 큰 변화를 야기한다. 그러나, ILS 레이저 시간 특성은 광대역 동작의 경우에도 공동 내 흡수재의 존재에 반응하여 여전히 변하게 된다. 이 경우 감도는 다소간 감소될 수도 있다.

ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭(Δν _laser )은 이득 매체(20)가 동작할 수 있는 파장 영역, 미러(26, 28)의 스펙트럼 특성 및 광 공동(24) 내의 각각의 광요소가 전달되는 파장 영역에 의해 한정된다. 특히, Δν _laser 는 이득 매체(20)와 미러(26, 28)의 스펙트럼 대역폭 및 어떤 다른 개별의 공동 내 광 요소, 예컨대 레이저 공동(24) 내의 박막 또는 복굴절 튜너의 스펙트럼 대역폭의 컨벌루션(convolution)에 의해 규정된다.

따라서, 본 발명의 ILS 방법을 사용할 때 흡수되는 기체 종의 농도를 정량적으로 결정하기 위해서는, ILS 레이저(12)의 출력의 하나 이상의 시간 특성들은 감시될 필요가 있다.

도 2는 기체 샘플 내의 기체 종을 검출하기 위한 본 발명의 방법 및 장치를예시한 것이다. 특히 도 2는 본 발명에 따라 구현된 ILS 기체 검출 시스템(10)을 단면으로 도시하고 있다.

본 발명의 ILS 기체 검출 시스템(10)은 ILS 레이저 시간 특성을 측정하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 광 검출기(16)와 ILS 레이저(12)를 단순히 포함한다.

도 2에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 ILS 레이저(12)는 이득 매체(20), 기체 샘플 셀(22) 및 선택 사양으로서의 파장 선택 광 요소(52)를 포함하고 있는바, 이들은 모두 미러(26, 28) 사이에 형성된 광 공진기(24) 내에 배치되어 있다.

도 2에 도시한 레이저 공동(24)은 선형적인 공동이지만, 본 발명에 따라 공동을 다른 형태로 구성할 수도 있다. 한가지 예는 비점수차(astigmatic) 보상을 위하여 설계된 세 개 또는 그 이상의 미러 공진기이다. 또 다른 예는 링 레이저 등의 이동 파 공진기이다.

도 2에 도시한 ILS 레이저에서, 광 파장 선택 광 요소(52)는 (1) 스펙트럼의 대역폭을 좁게 하고 (2) ILS 레이저(12)의 파장을 조정하는 역할을 한다. 바람직하게 파장 선택 광 요소(52)는 ILS 레이저(12)가 흡수 대역의 중첩된 부분의 스펙트럼 대역폭보다 크지 않은 스펙트럼 대역폭을 갖도록 선택되는 것이 바람직하다. 그밖에, 파장 선택 광 요소(52)에 의해 ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭이 예를 들어 하나의 흡수 특성 또는 다수의 연속하는 흡수 특성으로 구성된 흡수 대역과 일치하도록 조정된다.

도 2에 도시한 광 파장 선택 광 요소(52)는 요구되는 협대역 튜닝을 제공하는 얇은 고반사 Farbry-Perot 에탈론으로서 작용하는 금속화 박막으로 이루어져 있다. 금속화는 에탈론의 처리를 증가시키고, 스펙트럼 대역폭을 좁게 함으로써 협대역 필터가 생성된다. ILS 레이저(12)를 적절한 파장으로 조정하는 것은 에탈론을 소정의 파장을 통과하는 각도로 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명에서 적절하게 사용할 수 있는 다른 파장 선택 광 요소(52)의 예로는 광 대역 통과 필터, 회절 격자, 프리즘, 전자-광 대역 필터, 단일 및 다수의 플레이트 복굴절 필터 및 이들의 조합체를 들 수 있다.

ILS 레이저(12)의 잠재 (또는 연산) 파장 대역은 이득 매체(20) 및 미러(26, 28) 위에 형성된 광 코팅 및 레이저 공동 내에 배치된 광 성분 위에 형성된 광 코팅에 좌우된다. 따라서, 파장 선택 광 요소(52)를 레이저 공동(24) 내로 도입하는 대신에, 이득 매체 및 예를 들어 미러(26, 28) 등의 ILS 레이저(12) 내에서 사용되는 광 성분 위에 형성된 코팅 또는 기체 샘플 셀(22) 위의 윈도우 또는 수정(20) 위의 코팅 등이 스펙트럼 대역폭을 좁게 하고 ILS 레이저의 파장을 조정함으로써 위에서 설명한 바와 같이 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역만을 중첩시키기 위하여 설계될 수 있다.

그러나, 도 2에 도시한 ILS 레이저(12)의 경우, ILS 레이저(12)의 잠재 (또는 연산) 파장 대역 W _laser 는 이득 매체(20)가 동작할 수 있는 파장 대역, 미러(26, 28)가 반사되는 파장 대역, 레이저 공동(24) 내의 다른 공동 내 광 요소 (예를 들어, 파장 선택 광 요소)가 전달되는 파장 대역의 컨벌루션에 의해 규정된다. 임계치에로 그리고 임계치 보다 약간 크게 하여 ILS 구동하기 위하여 ILS 레이저(12)는 펌핑 소스(도시 안됨)를 필요로 한다는 점을 또한 이해할 수 있다. 예를 들어, 이득 매체(20)에 광 방사를 전달하기 위한 광 펌핑 소스가 사용될 수도 있다. 이 광 펌핑 소스는 레이저, 레이저 다이오드 또는 플래시 램프의 형태를 취할 수 있다. 이들 소스는 개별적으로 또는 함께 조합하여 사용될 수 있다. 다수의 동일하거나 다른 펌핑 소스를 사용하는 것 역시 가능하다.

도 2는 이득 매체(20) 내에서 발생된 레이저 광선이 기체 샘플 셀(22)로 향하여 그 안의 기체 샘플을 통과하는 것을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이, 레이저 공동(24), 특히 기체 샘플 셀(22) 내의 기체 종은 흡수 손실을 초래한다. 따라서, 공동 내 기체 종으로부터의 흡수는 ILS 레이저 공진기(24)의 손실을 증가시키고, 그에 의해 레이저 시간 특성이 변하게 된다. 따라서, 기체 종의 농도를 결정하기 위하여, ILS 레이저(12)는 잘 정의된 동작 조건 내에서 조정되어야 한다. 레이저에서 나온 출력 빔(32)은 광 검출기(16)에 의해 직접 검출된다.

가장 간단한 형태로서, 광 검출기(16)는 포토 다이오드, 포토 컨덕터 또는 포토 멀티플라이어 튜브 등의 단일 채널 검출기로 규정된다. 그 밖의 다른 검출기가 본 발명에서 적절하게 사용될 수 있다. 광 검출기(16)가 가져야 하는 한가지 요건은 ILS 레이저 빔(32)을 감지하고 그 결과 얻어지는 전기 신호를 생성할 수 있어야 한다는 것이다. 따라서, 광 검출기(16)에서 연장되는 전기 출력 단자(54)가 도 2에 도시되어 있다. 광 검출기(16)가 가져야 하는 또 다른 요건은 기체 상태의 흡수재의 존재에 의해 변경되는 ILS 레이저(12)의 시간 특성을 측정하기에 충분한 시간 대역폭을 가져야 한다는 것이다.

본 발명의 기체 검출 시스템(10)은, 분광계 어셈블리(14) 또는 컴퓨터(18)가 필요하지 않다는 점에서, 도 1a에 도시한 종래의 시스템과는 다르다. 도 2에 도시한 기체 검출 시스템(10)은 주사 분산 광 요소, 다중 채널 검출기 어레이 또는 광 검출기(16)의 앞쪽에 배치되는 슬릿을 필요로 하지 않는다.

또한, 종래의 기체 검출 시스템(10)은 검출될 기체 종과 관련된 흡수 대역과만 일치하도록 ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭을 좁게 하고 조정하는 레이저 공동(24) 내에 배치되는 선택 사양으로서의 파장 선택 광 요소(52)를 포함하지 않는다.

ILS 레이저(12)는 종래의 방법보다 향상된 감도를 제공하기 때문에, 이전에는 측정할 수 없었던 약한 천이를 본 발명의 기체 검출 시스템(10)을 이용하여 최초로 측정할 수 있다. ILS 레이저(12)를 조정하여야 할 지점은 다양한 흡수 특성의 스펙트럼 위치를 보여주는 기체 종을 스펙트로스코프로 분석하여 파악하여야 한다. ILS 레이저(12)의 파장 및 스펙트럼 대역폭을 광적으로 제어하는 방법의 이해는 레이저의 스펙트럼 출력과 흡수 특성을 부합시키는데 필요하다.

또한, 잘못된 판독에 이를 수 있는 스펙트럼 간섭 가능성을 제거하기 위하여, 주어진 기체 샘플 내에 존재할 수도 있는 또 다른 기체 종에 대한 스펙트로스코프를 통한 분석이 요구된다. 그러한 또 다른 기체 종이 검출되어서는 안되는 경우, ILS 레이저(12)의 스펙트럼 출력은 이들 다른 기체 종에 의해 생성되는 흡수 특성에서 멀어지도록 조정되어야 한다. 그러면, 다른 기체 종에서 야기되는 흡수특성으로부터의 잠재 기여는 ILS 레이저(12)가 광선을 방출하는 파장 영역에서는 존재하지 않게 된다. 따라서, ILS 레이저(12)의 연산 파장은 (1) 검출될 기체 종과 관련된 흡수 특성과 일치하도록 그리고 (2) 관심의 대상이 되지 못하는 기체 종으로부터의 스펙트럼 간섭을 피할 수 있도록 선택되어야 한다. 전술한 요건이 충족되면, ILS 레이저(12) 출력과의 스펙트럼 상호 작용은 감시될 기체 종으로부터의 흡수에 대해서만 추적할 수 있게 된다. 따라서, 조정이 행해졌을 때의 ILS 레이저(12) 시간 특성의 변화에 의해 감시된 기체 종의 농도가 정확히 측정된다.

ILS 레이저(12)가 동작하는 선택된 스펙트럼 영역은 단지 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역과 일치하기 때문에, 기체 종의 정체를 알 수 있다.

레이저 공동(24) 내의 기체 종에 대한 알려진 농도로 잘 정의 된 동작 조건하에서의 ILS 레이저(12)의 시간 특성의 변화를 조정함으로써 기체 종의 농도를 알 수 있다. 이러한 조정은 온도, 압력, 레이저 이득, 펌핑 레이저 듀티 사이클 등의 특정의 연산 파라미터와 ILS 레이저(12)의 이득 또는 손실을 변경시키는 다른 파라미터에 좌우된다. 이들 연산 파라미터는 기체 검출 시스템(10)이 조정된 상태로 유지될 수 있도록 하기 위하여 일정하게 유지되어야 한다. 대안적으로, 이들 연산 파라미터의 변동에 의해 기체 검출 시스템의 조정된 감도가 변하고, 따라서 잘 정의된 각기 다른 연산 조건하에서 다수 조정이 가능해져서 기체 검출 시스템의 동적 범위가 증가하게 된다. 그럼에도 불구하고, 장시간의 사용에 따른 조정을 유지하는 기체 검출 시스템(10)을 설계하기 위해서는 ILS 레이저(12)의 시간 특성에 영향을 미치는 특정 연산 파라미터에 대해 알아야 한다.

도 3에는 본 발명의 개별의 실시예가 도시되어 있다. 본 발명에 따라, 도 3에 도시한 ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭 (Δν _laser )은 감시되는 기체 종과 관련된 흡수 대역 또는 영역과 독점적으로 일치하기에 충분할 정도로 좁다. 다시 도 2를 참조하면, 파장 선택 광 요소(52)는 레이저 공동(24) 내에 선택적으로 삽입된다.

위에서 논의한 바와 같이, "흡수 대역"이라는 용어는 각각의 파장에서 흡수가 일어나는 흡수 스펙트럼 내의 차단되지 않은 단일 파장 영역으로서 정의된다. 따라서, 흡수 스펙트럼이 흡수가 감시되지 않는 영역(B)에 의해 분리된 두 개의 흡수 라인(A₁, A₂)을 포함하는 경우, 두 개의 흡수 라인(A₁, A₂)은 분리된 흡수 대역에 해당한다. 그러나, 두 개의 흡수 라인(A₁, A₂)이 단지 지역 흡수 최소 영역 (또는 지역 강도 최대 지역)에 의해 분리되는 경우, 이들 두 개의 흡수 라인(A₁, A₂)은 단일 흡수 대역에 해당한다.

본 발명에 따라, 도 3에 도시한 기체 검출 시스템(10)은 ILS 레이저(12)와 광 검출기(16)로 구성되어 있다. ILS 레이저(12)는 미러(26, 28)에 의해 한정된 레이저 공동(24) 내에 배치된 이득 매체(20)를 포함하고 있다. 레이저 공동(24)은 선형적인 공동이며, 이득 매체(20)는 이온이 도핑된 수정으로 되어 있다. 첫 번째 미러(26)는 이온이 도핑된 수정의 일단부(60) 상에 반사 코팅을 증착시켜서 형성한다. 두 번째 미러(28)는 곡선 모양의 반사경으로 이루어져 있다.

도 3에 도시한 레이저 공동(24)이 선형적인 공동으로 되어 있으나, 본 발명에 따라 위에서 열거한 바와 같은 다른 공동 설계를 채용할 수도 있다.

본 발명의 실행에 있어서, 이온이 도핑된 수정은 이득 매체(20) 수정으로서 사용된다. 다른 어떠한 이온이 도핑된 수정이라도 특정 용도에 부합되는 것이라면 채용될 수 있다. 따라서, 이하에서 열거하는 것을 포함하여 본 명세서에서 개시되는 이온이 도핑된 수정에만 국한되는 것은 아니다.

본 발명의 방법 및 장치에서 적절히 채용될 수 있는 이온이 도핑된 수정의 샘플링은 다음을 포함한다. Tm³⁺, Tb³⁺:YLF, Cr:Tm:Ho:YAG, Cr⁴⁺:YSO, Cr⁴⁺:YAG, Cr⁴⁺:YSAG, Er³⁺:GSGG, Er³⁺:YSGG Er³⁺:YLF, Er³⁺:Yb³⁺:유리, Ho³⁺:YSGG, Ho³⁺:Tm³⁺:LUAG, Tm³⁺:Ho³⁺:YLF, Tm³⁺:Ho³⁺:YAG, Tm³⁺:Ca Y SOAP, Tm³⁺:YLF, Tm³⁺:유리, Tm³⁺:Ca La SOAP, Tm³⁺:YOS, Tm³⁺:YSGG, Tm³⁺:YAG, Tm³⁺:YVO₄, Yb³⁺:YAG, Cr:포스테라이트, Er:Yb:유리, CO₂:MgF₂, Cr²⁺:ZnSe 및 Cr²⁺:ZnS/ZnSe/ZnTe. 기체, 액체 또는 고체를 불문하고 다른 어떠한 재료라도 이득 매체(20)로서 또한 사용할 수 있다.

도 3은 레이저 공동(24) 내에 위치한 기체 샘플 셀(22)을 또한 보여주고 있다. 기체 샘플 셀(22)은 레이저 성분들로부터 기체 샘플을 격리한다. 기체 샘플 셀(22)은 부식이 있어나지 않는 기체 샘플에 대해서는 필요하지 않다. 이 경우 기체 샘플은 전체 레이저 공동(24) 내에 함유된다.

기체 샘플 셀(22)에는 입구 도관(62) 및 출구 도관(64)이 제공되어 있다. 각각의 셀 윈도우(66, 68)가 기체 샘플 셀(22)의 말단에 장착되어 빔(70)이 분석될 기체 샘플을 관통할 수 있도록 한다. 또한, 윈도우(66,68)는 기체 샘플 셀(22)을 밀봉한다.

기체 샘플 셀(22)이 ILS 레이저(12)를 포함하는 체임버(72) 내에 놓이는 경우, 검출되어야 하는 기체 종은 체임버로부터 제거되어야 할 필요가 있다. 체임버(72)로부터 기체 종을 제거함으로써, 기체 검출 시스템(10)의 사용을 통해 얻어지는 시스템 응답은 기체 샘플 셀(22) 내에 함유된 기체 종의 존재 및 양을 정확히 나타낸다. 기체 종을 체임버(72)에서 제거한 후에, 기체 샘플은 (예를 들어, 기체 샘플이 부식 기체로 이루어진 경우) 입구 도관(62) 및 출구 도관(64)을 통해 기체 샘플 셀(22) 내로 이송된다. 그러나, 기체 샘플이 화학적으로 레이저 성분과 반응을 하지 않는 경우, 기체 샘플은 체임버(72) 내로 유입된다.

위에서 논의한 바와 같이, ILS 레이저(12)는 이득 매체(20)를 여기하기 위한 펌핑 소스(74)를 필요로 한다. 이온이 도핑된 수정 이득 매체(20)의 광적인 여기는 반도체 다이오드 레이저(76)로 구성된 펌핑 소스(74)에 의해 제공된다.

펌핑 소스(74)는 ILS 레이저(12)를 구동하는 응집 또는 비응집, 연속 또는 펄스 방식의 적절한 광 펌핑 소스로 구성된다. 예를 들어, 펌핑 소스(74)는 고체 상태의 수정 레이저(예를 들어, Nd:YAG), 기체 레이저, 하나 이상의 플래시 램프, 섬유 레이저 또는 ILS 레이저(12)를 펌핑하기에 적절한 다른 펌핑 소스로 구성될 수도 있다.

도 3은 전원(78)에 의해 전기를 공급받고 열전기 쿨러(80)에 의해 냉각되는반도체 다이오드 레이저(76)를 보여주고 있다. 반도체 다이오드 레이저(76) 및 열전기 쿨러(80)는 히트싱크(82) 내에 장착되어 반도체 다이오드 레이저에 의해 발생되는 열을 방산한다.

그러나, 펌핑 소스(74)로서 반도체 다이오드 레이저(76)를 사용할 경우 반도체 다이오드 레이저(76) 출력과 ILS 레이저(12) 사이의 광적인 부합을 촉진시키기 위하여 빔 형상 광 요소(84)를 사용할 필요가 있다. 빔 변형 광 요소의 예를 들면, 회절 광 요소, 굴절 광 요소, 굴절 인덱스가 축방향으로 변동하는 경사 인덱스 광 요소, 굴절 인덱스가 방사상으로 변동하는 경사 인덱스 광 요소, 마이크로 광 요소 및 이들이 조합된 형태 등이 있다. 도 3은 한 쌍의 왜상 프리즘(86)과 한 쌍의 렌즈(88)를 포함하는 매크로스코픽 광 요소로 이루어진 빔 형상 광 요소(84)를 보여주고 있다. 그렇지 않으면, 빔 팽창 텔레스코프 또는 반도체 다이오드 레이저(76)의 수 마이크로미터 내에 놓이는 마이크로 광 요소를 채용할 수도 있다.

도 3은 빔 형상 광 요소(84) 및 이득 매체(20) 사이에 삽입된 제 1 변조기(90)를 또한 보여주고 있다. 제 1 변조기(90)는 변조기 구동기(92)에 의해 파워를 공급 받고 그에 의해 제어된다. 제 1 변조기(90)는 반도체 다이오드 레이저(76)로부터 나온 펌핑 빔(96)을 교대로 감쇄 및 전달함으로써 펌핑 빔이 이득 매체(20)를 펌핑하는 것을 주기적으로 방지한다. 이렇게 하여, ILS 레이저(12)가 스위치 온 및 오프될 수 있도록 제 1 변조기(90)에 의해 펌핑 빔(96)은 반복적으로 이득 매체(20)를 펌핑하게 된다.

펌핑의 차단은 기계적으로 작동하는 쵸퍼, 전자 광 또는 음향 광 변조기 및셔터 등을 포함하지만 이에만 국한되지는 않는 여러 가지 수단을 활용하여 달성될 수 있다. 그렇지 않으면, 펌핑 소스(74)(예를 들어, 반도체 다이오드 레이저 (76)에 공급되는 전력이 변동될 수 있고, 이에 의해 반도체 다이오드 레이저의 출력이 레이저 동작에 요구되는 임계값 바로 위 및 바로 아래로 주기적으로 이득 매체(20)를 오게 하는 고강도 및 저강도 레벨 사이에서 요동하게 된다.

도 3은 ILS 레이저(12)에서 출력된 빔(32)이 광 검출기(16)로 향하는 것을 보여주고 있다. ILS 레이저(12)에서 출력된 광선은 광섬유 또는 광섬유 다발 등의 광섬유 링크를 통해 광 검출기(16)가 놓여 있는 위치로 전달된다.

광 검출기(16)는 조정에 사용되는 ILS 레이저(12)의 특정 시간 특성을 분해하기에 충분한 시간 대역폭을 가지도록 선택된다. 검출기는 ILS 레이저(12)의 시간적으로 분해된 출력 전체를 얻을 수 있다.

도 4는 레이더 출력의 시간 특성을 분해하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 검출기를 사용하는 ILS 레이저의 출력을 보여주고 있다. 이 경우에 있어서의 ILS 레이저는 Tm³⁺:YAG 수정을 펌핑하는 반도체 다이오드 레이저를 채용한다. 위에서 설명한 바와 같이, 펌핑 레이저 방사는 교대로 스위치 온 또는 오프된다.

본 발명의 시스템의 시간 특성은 이완 발진으로 알려진 공지된 레이저 현상을 따른다. 이들 이완 발진은 비평형 레이저 집단 반전에 응답하는 고체 상태 레이저에 의해 야기된다. 이들 이완 발진은 레이저가 급격한 업-펌핑 비율에 응답하여 평형 반전에 도달하려고 할 때 발생한다. 도 4에 도시한 바와 같이 공진기의 이득및 손실에 좌우되는 레이저 시간 출력의 여러 가지 특성이 다음과 같이 분명히 나타난다. (1) A로 표시한 바와 같이, 0의 시간에서 시작하는 광 펌핑의 시작 시기와 ILS 동작의 개시 사이에 현저한 시간 지연이 존재한다. (2) B로 표시한 바와 같이, ILS 레이저의 연속하는 펄스 사이에 시간 지연이 존재한다. (3) C로 표시한 바와 같이, 연속하는 레이저 출력 펄스의 진폭이 감소한다. (4) D로 표시한 바와 같이, 연속하는 레이저 출력 펄스 사이의 레이저 베이스라인 출력이 증가한다.

발진 이완은 본 발명에 의해 구성되는 한 세트의 시간 특성의 특정한 일례임에 주목할 필요가 있다. ILS 레이저 동작이 개시될 때의 위에서 언급한 바와 같은 시간 지연 등의 다른 특성은 측정 가능한 이완 발진을 가지지 않는 레이저 시스템의 경우에도 존재할 수가 있다.

설명된 시간 특성은 ILS 레이저 공진기의 이득 및 손실에 좌우된다. 예를 들어, 모든 다른 파라미터가 동일하면, 더 높은 비율로 펌핑되는 ILS 레이저는 레이저 동작이 개시되기 전에 짧은 지연을 갖게 된다. 다른 시간 특성 또한 펌핑 비율, 수정의 온도, 시스템의 온도, 펌핑 듀티 사이클 등을 변경시킨다. 이들 시간 특성은 레이저 이득 및 손실 모두에 좌우되기 때문에, 공동 내 흡수재의 존재에 의해 도입되는 손실 증가 따위의 손실 증가에 의해 이들 시간 특성에 변화가 야기된다. 그 밖에, 손실이 증가하면 시간 특성이 더욱 현저히 변하게 된다. 따라서, 변화는 흡수재의 농도에 좌우되는 공동 내 흡수의 양에 좌우된다. 이것은 흡수재의 공지된 농도에 대한 하나 또는 그 이상의 시간 특성의 특정 변화에 기초하는 농도를 조정하는 능력에 이르게 된다.

공동 내 흡수재가 존재하지 않는 경우 그리고 존재하는 경우에 레이저 강도 대 시간(초 단위) 선도가 도 5에 도시되어 있다. 이 예에서의 공동 내 흡수재는 이산화탄소이다. 도 5는 이산화탄소의 존재에 의해 ILS 레이저(12)에서 출력된 광선의 시간 특성이 어떻게 변하는지를 보여주고 있다.

실험 데이터에 기초하는 곡선(102)은 이완 발진을 경험할 때 ILS 레이저(12)로부터 나오는 일련의 펄스를 나타낸 것이다. 이 경우에는 이산화탄소가 존재하지 않는다.

실험 데이터에 또한 기초하는 곡선(104)은 질소 내에 존재하는 1 체적% 이산화탄소가 이완 발진의 시간 특성을 변화시키는 것을 보여주고 있다. 두 경우에 있어서 대응하는 펄스의 진폭은 이산화탄소가 존재할 때 감소한다. 그밖에, 이산화탄소가 존재하지 않는 경우와 비교하여 이산화탄소가 존재할 때 ILS 레이저 동작의 개시가 지연된다. 마지막으로, 이산화탄소가 존재할 때 제한치 진폭으로의 쇠퇴 비율이 더욱 빠르다. 이들 모든 파라미터는 이산화탄소에 의한 공동 내 흡수에 기인하는 ILS 레이저 공진기 내의 손실의 증가의 결과로서 변한다. 흡수에 의해 도입된 손실은 흡수재인 이산화탄소의 농도에 비례한다. 따라서, 농도가 증가하면 손실이 증가하고 그 결과 측정된 시간 특성이 크게 변하게 된다.

도 6은 기체 종, 여기서는 질소 내의 이산화탄소의 농도에 대한 ILS 레이저 개시 시간 (마이크로초)의 변화의 의존도를 보여주고 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 방법 및 장치는 기체 종을 분석하는데 사용된다.

따라서, ILS 레이저(12)의 스펙트럼 대역폭 Δν _laser 이 감시되는 공동 내의 기체 종에 할당된 흡수 대역의 중첩된 부분의 스펙트럼 대역폭 Δν _abs 에 필적하는 경우, ILS 레이저의 하나 이상의 시간 특성을 측정함으로써 기체 종의 농도를 측정하는데 본 발명의 방법 및 장치를 활용할 수 있다. 검출된 기체 종의 정체는 흡수 특성과 ILS 레이저 파장의 스펙트럼 중첩에 의해 결정된다.

본 발명의 방법을 활용하면, ILS 레이저(12)의 출력의 파장 분포의 맵핑에 좌우되는 종래의 ILS 센서보다 실질적으로 작고, 간단하고, 비용이 적게 들고, 사용이 쉬운 ILS 기체 검출 시스템(10)이 제공된다. 크기가 작고, 비용이 적게 들고, 동작이 간단하게 이루어지기 때문에, 본 발명의 기체 검출 시스템(10)은 기체 검출이 요구되는 각기 다른 여러 분야에서 사용될 수 있다.

이상과 같이, 조정범위 내에서 기체 종의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법과 장치를 상세히 설명하였다. 당업자라면 이하의 청구의 범위에서 한정되는 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 한 요소의 설계 및 배열에 있어서 여러 가지로 변형 및 변경이 가능하다. 또한, 반도체 제조 어셈블리 내에서의 ILS 기체 검출기의 위치 뿐만 아니라 기체 검출 시스템(10)의 응용을 원하는대로 변경할 수 있다. 예를 들어, 구성 및 배치가 ILS 레이저(12)의 광적인 여기를 쉽게 재현할 수 있다면, ILS 체임버(72) 내의 다양한 요소의 배치 및 기체 검출기 시스템(10) 자체를 변형할 수도 있다. 현재 알려져 있거나 이후에 당업자가 고안해 낼 수 있는 것으로 간주되는 본 발명의 설계, 배열 및 응용과 관련한 이들 변형 및 그 밖의 다른 모든 변형은 이하에 기재하는 청구의 범위에 의해 고려된다.

Claims

조정 범위 내에서 기체 샘플의 기체 종들-상기 기체 종들은 연속적인 파장들의 적어도 하나의 단일 대역 내에 있는 광을 흡수함-의 특정 농도의 존재를 검출하는 기체 검출 시스템(10)에 있어서,

(a) (i) 레이저 공동 (24)과 (ii) 이득 매체(20)를 포함하는 ILS 레이저(12)-여기서, 상기 ILS 레이저는 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 적어도 하나의 측정 가능한 시간 특성을 갖고, 상기 기체 종들에 의해 유도되는 상기 흡수는 조정 범위 내에서 레이저(12)의 시간 특성을 측정 가능하도록 변화시키기에 충분히 큼-와;

(b) 상기 레이저 공동(12)에 상기 기체 샘플을 함유하며 상기 이득 매체(20)로부터 나오는 출력 빔(32)이 상기 레이저 공동을 빠져 나오기 전에 상기 기체 샘플을 통과하도록 하는 컨테이너(22); 및

(c) 상기 시간 특성을 측정하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 검출기(16)를 포함하는 기체 검출시스템(10).
제 1 항에 있어서,

상기 검출기(16)는 단일 채널 검출기인 기체 검출 시스템(10).
제 1 항에 있어서,

상기 ILS 레이저(12)는 상기 ILS 레이저(12)가 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 밖의 파장에서만 오직 동작하는 것을 방지해 주는 성분(52)을 포함하는 기체 검출 시스템(10).
제 3 항에 있어서,

상기 레이저 공동(24)내에 파장선택 광 요소(52)가 배치되며, 상기 파장 선택 광 요소는 상기 ILS 레이저(12)가 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 밖의 파장에서만 오직 동작하는 것을 방지하는 기체 검출 시스템(10).
제 3 항에 있어서,

상기 이득 매체(20)는 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 밖의 파장에서만 상기 ILS 레이저(12)가 오직 동작하는 것을 방지하기에 충분히 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖거나, 또는 그 위에 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 바깥의 파장에서만 상기 ILS 레이저(12)가 오직 동작하는 것을 방지하는 광 코팅을 갖는 기체 검출 시스템(10).
제 3 항에 있어서,

상기 컨테이너(22)는 상기 레이저 공동(24)내에 위치되는 기체 샘플 셀(22)로 구성되고, 상기 기체 샘플 셀(22)은 상기 이득 매체(20)로부터의 상기 출력 빔(32)이 상기 기체 샘플을 통과하도록 하는 윈도우들을 가지며, 상기 윈도우들 중 적어도 하나는 그 위에 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 밖의 파장에서만 상기 ILS 레이저(12)가 오직 동작하는 것을 방지하는 광 코팅을 갖는 기체 검출 시스템(10).
제 3 항에 있어서,

상기 레이저 공동(24)은 적어도 두 개의 미러(26, 28)로 형성되며, 상기 미러(26, 28)중 적어도 하나는 그 위에 상기 ILS 레이저(12)가 상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역 밖의 파장에서만 오직 동작하는 것을 방지하는 광 코팅을 갖는 기체 검출 시스템(10).
제 1 항에 있어서,

광 펌핑 소스(74)가 상기 이득 매체(20)에 광 방사를 전달함으로써 상기 ILS 레이저(12)를 구동시키는 기체 검출 시스템(10).
제 1 항에 있어서,

상기 기체 종들이 흡수를 행하는 상기 대역은 적어도 하나의 흡수 특성을 포함하고, 상기 ILS 레이저(12)는 상기 적어도 하나의 특성을 적어도 부분적으로 오버랩하기에 충분히 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 기체 검출 시스템(10).
제 1 항에 있어서,

상기 측정 가능한 시간 응답이

(1) ILS 레이저(12)의 초기 펌핑과 레이저 동작의 개시 사이의 지연;

(2) 상기 ILS 레이저(12)의 이완 발진의 주기와 주파수 중 적어도 어느 하나;

(3) 펄스의 수에 따른 이완 발진 주기의 증가 또는 감소;

(4) 지수 또는 쌍 지수 감쇄 프로파일의 경우 이완 발진 감쇄의 수명;

(5) ILS 레이저의 시간 프로파일의 전부 또는 일부를 분석 파형에 부합시킨 결과로서의 부합 파라미터의 변화;

(6) 수치 알고리즘에 의해 ILS 레이저의 시간 프로파일의 전부 또는 일부를 부합시킨 결과로서의 부합 파라미터의 변화;

(7) 하나 또는 그 이상의 출력 펄스들의 라인 형상;

(8) 공동 내 기체 흡수재가 존재하는 동안 연산 파라미터의 변화에 대한 ILS레이저의 시간 프로파일의 응답; 및

(9) ILS 레이저 출력이 무질서한 경우 공동 내 기체 종들의 존재에 응답하여 상기 기체 검출 시스템의 무질서 속성에서의 정략적 증가 또는 감소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 기체 검출 시스템(10).
제 1 항의 상기 ILS 레이저(12)를 채택하여 조정 범위내에서 기체 샘플의 기체 종들의 특정 농도의 존재를 검출하는 방법으로서,

a) 상기 기체 종들이 광을 흡수하고 그리고 상기 기체 종들에 의해 유도되는 상기 조정 범위 내에서 레이저의 시간 특성들을 측정 가능하도록 변화시키기에 충분히 큰 적어도 하나의 측정 가능한 시간 특성을 갖는지를 결정하고;

b) 상기 ILS 레이저(12)를 제공하고;

c) 상기 이득 매체(20)로부터의 출력빔(32)이 상기 레이저 공동(24)을 빠져 나오기 전 상기 레이저 공동(24)에 함유된 상기 기체 샘플을 통과하도록, 상기 이득 매체(20)를 설치하고; 그리고

d) 상기 레이저(12)의 시간 특성에서의 변화를 검출하도록, 상기 적어도 하나의 시간특성을 검출하기에 충분한 시간 대역폭을 갖는 검출기를 설치하는 단계를 포함하는 방법.