KR20040072653A - 광섬유 본위 캐비티 링-다운 분광 장치 - Google Patents

광섬유 본위 캐비티 링-다운 분광 장치 Download PDF

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KR20040072653A
KR20040072653A KR10-2004-7009164A KR20047009164A KR20040072653A KR 20040072653 A KR20040072653 A KR 20040072653A KR 20047009164 A KR20047009164 A KR 20047009164A KR 20040072653 A KR20040072653 A KR 20040072653A
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피터 비. 타르사
폴 라비노비츠
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트러스티스 오브 프린스턴 유니버시티
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Abstract

본 발명은 가스 또는 액체 샘플 내의 미량 종을 검출하고 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 간섭성 광원은 광섬유 링 안으로 방사선을 방사하며, 차례로 광섬유 링의 출력부에 수용된다. 이러한 광섬유 링의 일부분은 입력부와 출력부 사이에서 샘플 가스 또는 샘플 액체에 노출된다. 리시버에는 프로세서가 연결되어 있는데, 이러한 프로세서는 광섬유 링 내부에서 방사선의 자연 붕괴율에 근거하여 가스 또는 액체 샘플 내의 미량 종의 레벌을 결정한다.

Description

광섬유 본위 캐비티 링-다운 분광 장치 {FIBER-OPTIC BASED CAVITY RING-DOWN SPECTROSCOPY APPARATUS}
이제, 도면을 참조하면 동일한 도면 부호는 전체적으로 동일한 요소를 가리키며, 도 1은 로그 눈금 상의 전자기 스펙트럼을 나타낸다. 분광학(spectroscopy)은 스펙트럼을 연구하는 학문이다. 스펙트럼의 다른 부분과 연관된 학문과 대조를 이루어, 광학(optics)은 특히 가시적이고 근접하는 -가시광선- 약 1 mm 내지 약 1 nm의 파장으로 연장하는 이용가능한 스펙트럼의 상당히 협소한 부분을 수반한다. 근 가시광선은 적색보다 짙은 색깔(적외선)과 자색보다 짙은 색깔(자외선)을 포함한다. 빛은 통상의 재료로 제조되는 대부분의 렌즈 및 거울에 의해 처리될 수 있는 가시성의 양측에 충분히 멀게 범위가 연장된다. 재료의 광학 특성의 파장 의존성을 종종 고려해야 한다.
흡수형 분광기는 높은 감응도, 마이크로초(microseconds) 급의 반응 시간, 활성억제의 면제, 및 연구 중인 분자종 이외의 분자 종으로부터의 제한된 간섭을 제공한다. 여러 분자 종들은 흡수 분광기에 의해 검출 또는 분별될 수 있다. 따라서, 흡수 분광기는 중요한 미량 종(trace species)을 검출하는 일반적인 방법을 제공한다. 가스상(gas phase)에서, 미량 종이 일련의 선명한 스펙트럼 라인에 집중된 흡수 강도를 가지기 때문에 이러한 방법의 감응도 및 선택성은 최대로 활용된다.
여러 산업 공정에서, 유동 가스 스트림 및 액체 내의 미량 종의 집중도는 높은 수준의 속도와 정확성으로 측정되고 분석되어야 한다. 오염물질의 집중이 종종 최종 제품의 품질에 치명적이기 때문에 이러한 측정 및 분석이 필요하다. N2, O2, H2, Ar 및 He와 같은 가스는 예컨대 집적 회로를 제조하는데 사용되며, 이들 가스 내에 불순물 -십억분율(ppb) 정도일지라도- 이 존재하면, 작동 회로에 손상을 미치며 수율을 감소시킨다. 따라서, 물이 분광학적으로 모니터될 수 있는 비교적 높은 감응도는 반도체 산업에 사용되는 고순도 가스의 제조에 중요하다. 여러 불순물은 다은 산업 분야에서 검출되어야 한다. 또한, 본래적인 위치이거나 또는 고의적인 위치이거나 액체 내에 불순물의 존재는 최근에 특별한 관심이 되고 있다.
분광기는 고순도의 가스 내의 가스 오염물질에 대해 백만분율(ppm)급 검출에 도달해 있다. 일부 경우에 십억분율 급의 검출 감응도가 가능하다. 따라서, 몇 가지 분광 방법은 종래의 긴 경로길이 셀(long pathlength cells)에서의 흡수 측정, 포토어쿠스틱 분광법, 주파수 변조 분광법, 및 인트라캐비티 레이져 흡수 분광법을 포함하여, 가스 내의 정량 오염물질 모니터링과 같은 응용 분야에 적용되어 왔다. 레흐만(Lehmann) 등에게 허여된 미국특허 제 5,528,040호에 개시된 이들 방법들은 산업상 이용에 있어 사용하기에 어렵고 비실용적일 수 있다. 따라서, 이들 방법들은 대부분 실험실 연구용으로 제한되었다.
반대로, 캐비티 링-다운 분광법(cavity ring-down spectroscopy; CRDS)은 학문, 산업적 프로세스 제어, 및 대기의 미량 가스 검출로의 적용과 함께 중요한 분광 기술이 되었다. CRDS는 종래의 방법이 부적절한 감응도를 가지는 낮은-흡광도 체계에서 우수한 광 흡수의 측정을 위한 기술로서 증명되었다. CRDS는 흡수-감지 관측 가능량으로서 고-재질 광 공진기(high-finesse optical resonator)에 광자의 평균 수명을 사용한다.
종래에, 공진기는 공칭으로 등가이며, 협대역을 가지는 한 쌍의 초고 반사성 유전체 거울로 형성되는데, 안정된 광 공진기를 형성하도록 적절하게 구성되어 있다. 거울을 통해 공진기 안으로 레이져 펄스(laser pulse)가 투사되어, 광자 라운드-트립 이송 시간, 공진기의 길이, 종의 개수 밀도 및 흡수 횡단면, 그리고 고유 공진기 손실(이러한 공진기 손실은 회절 손실이 무시가능한 경우 대개 주파수-의존 거울 반사성으로부터 발생된다)의 원인이 되는 인자에 좌우되는 평균 수명을 경험한다. 따라서, 광 흡수의 측정법은 종래의 파워-비(power-ratio) 측정법에서 자연 붕괴 시간의 측정법으로 변화한다. CRDS의 궁극적인 감응도는 고유 공진기 손실의 크기에 의해 결정되며, 이러한 고유 공진기 손실의 크기는 초저손실 광의 제조를 허용하는 수퍼폴리싱(superpolishing)과 같은 기술에 의해 최소화된다.
현재, CRDS는 고 반사성 유전체 거울이 사용될 수 있는 분광학 영역에 제한되어 있다. 충분히 높은 반사성을 가지는 거울이 현재로서는 이용불가능하기 때문에, 이러한 분광학 영역에의 제한은 다량의 자외선 및 적외선 영역에서 방법의 유용성을 상당히 제한했었다. 적합한 유전체 거울이 이용가능한 영역에서도, 각각의 세트의 거울만이 작은 범위의 파장, 통상 수 퍼센트의 분수 범위에 걸친 작동을 허용한다. 또한, 다수의 유전체 거울의 구조는 특히 화학적으로 부식성 환경에 노출되는 경우 초과 시간에 걸쳐 품질을 떨어뜨릴 수 있는 재료의 사용을 필요로 한다. 이러한 현재의 제한들이 다수의 잠재적인 응용분야에서 CRDS의 사용을 제약하거나 방해하기 때문에, 공진기 구성에 대한 기술부야의 현재 상태를 개선시킬 필요성이 있음을 명확히 인식할 수 있다.
에이. 피피노(A. Pipino) 등에 의한 논문, "총-내부 반사 미니캐비티를 갖춘 소산파 캐비티 링-다운 캐비티 분광기(Evanescent wave cavity ring-down spectroscopy with a total-internal reflection minicavity)", Rev. Sci. Instrum. 68(8)(1997년 8월)은 개선된 공진기 구성에 대한 하나의 방법을 제시한다. 이러한 방법은 안정성을 유도하도록 하나 이상의 볼록면을 가지는 정규의 다각형 형상(예컨대, 4각형 및 8각형)의 단일체, 총 내부 반사(TIR) 링 공진기를 사용한다. 광 펄스는 공진기의 외부로 공진기와 근접하여 위치하는 제 1 프리즘에 의해 총체적으로 반사되며, 공진기에 유입되며 광자 터널링(photon tunneling)을 통해 공진기의 안정 모드를 여기시키는 소산파(evanescent wave)를 형성시킨다. 임계각보다 크게 매개물을 전파하는 낮은 굴절율의 표면상에 빛이 충돌하면, 이러한 빛은 완전히 반사된다. 제이. 디. 잭슨(J. D. Jackson), "고전 전기역학(Classical Electrodynamics)", Chapter 7, John Wiley & Sons, Inc.: NewYork, NY(1962). 그러나, 경계면을 형성하는 거리만큼 전파하지 않고 자연붕괴하는 영역이 반사 지점을 초과하여 존재한다. 이러한 소산 영역은 순수 유전체 매개물에 제로 파워를 전달하지만, 반사된 파의 감쇠는 소산 영역의 지역 내의 흡수하는 종의 존재를 관찰할 수 있게 한다. F.M. Mirabella(ed.), "Internal Reflection Spectroscopy," Chapter 2, Marcel Dekker, Inc.: New York, NY(1993).
공진기의 전체 반사면에 위치하는 흡수 스펙트럼의 사안은 단일체형 공진기 내의 광자의 평균 수명으로부터 얻어지는데, 이러한 평균 수명은 제 2 프리즘(공진기와 근접하는 외부에 위치하는 전체 반사 프리즘)과 결합하지 않고서 검출기에 수용된 신호의 시간 의존성으로부터 견출된다). 따라서, 광 방사선은 광자 터널링에 의해 공진기에 입사되고 출사되는데, 이러한 광자 터널링은 입력 및 출력 결합의 정밀한 결합을 가능하게 한다. CRDS의 미니어쳐-공진기의 실현을 가져오고, TIR-링 공진기가 CRDS 개념을 응집된 중요한 분광기로 확대한다. TIR의 광대역 특성은 종래의 가스상 CRDS내의 유전체 거울에 의해 부과되는 협대역 폭 제한을 해결한다. 에이. 피피노 등의 논문은 단지, 짧은 총괄 흡수 경로길이, 따라서 강력한 흡수 강도에 본질적으로 제한되는 TIR 분광기에 적용가능하다. 반대로, 본 발명은 긴 흡수 경로길이를 제공하여, 약한 흡수 강도의 검출을 허용한다.
레만 등에게 허여된 미국특허 제 5,973,864호, 제 6,097,555호, 제 6,172,823호, 및 제 6,172,824B1호에는 CRDS 시스템에 기초한 거울에 대한 여러 신규의 방법이 개시되어 있으며, 이들은 본 명세서에서 참조하였다. 이들 방법은 2개의 반사 요소 또는 프리즘 요소에 의해 형성된 근접-공초점(near-confocal) 공진기의 사용을 교시한다.
도 2는 종래의 CRDS 장치(10)를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 협대역의 회전식인 연속파 다이오드 레이져(20)로부터 빛이 발생된다. 레이져(20)는 온도 제어기(30)에 의해 온도 변조되어, 물질의 원하는 스펙트럼 라인에 그 파장을 맞춘다. 절연체(40)는 레이져(20)로부터 방사된 방사선과 나란하게 그리고 전방에 위치한다. 절연체(40)는 1-웨이 전송 경로를 제공하며, 방사선이 레이져(20)로부터 멀어지게 이동할 수 있게 하지만 방사선이 반대 방향으로 이동하는 것을 방지한다. 단일 모드 섬유 결합기(F.C.)(50)는 레이져(20)로부터 광섬유(48) 안으로 방사된 빛을 결합시킨다. 섬유 결합기(50)는 절연체(40)와 나란히 그 전방에 위치한다. 섬유 결합기(50)는 광섬유(48)를 수용하고 유지시키며 레이져(20)로부터 제 1 렌즈(46)를 향해 그리고 제 1 렌즈(46)를 통해 방사되는 방사선을 인도한다. 제 1 렌즈(46)는 방사선을 수집하여 초점을 맞춘다. 레이져(20)에 의해 방사되는 비임 패턴은 광섬유(48)내에 전파되는 빛의 패턴과 완전히 부합되지 않기 때문에, 피할 수 없는 부정합 손실(mismatch loss)이 존재한다.
레이져 방사선은 대략 모드-부합식으로 링 다운 캐비티(RDC) 셀(60) 안으로 들어간다. 반사성 거울(52)은 방사선을 비임 스플리터(54)를 향해 인도한다. 비임 스플리터(54)는 제 2 렌즈(56)를 통해 방사선의 약 90%를 인도한다. 제 2 렌즈(56)는 방사선을 수집하여 셀(60) 안으로 초점을 맞춘다. 잔존하는 방사선은 비임 스플리터(54)를 통과하여 반사성 거울(58)에 의해 물질 기준 셀(analyte reference cell; 90) 안으로 인도된다.
물질 기준 셀(90)을 통해 전송되는 방사선은 제 4 렌즈(92)를 향해 그리고 이를 통과하도록 인도된다. 제 4 렌즈(92)는 물질 기준 셀(90) 및 제 2 광검출기(photodetector; 94)(PD 2) 사이에 정렬된다. 광검출기(94)는 컴퓨터 및 제어 전자부품(100)에 입력을 제공한다.
셀(60)은 2개의 고 반사성 거울(62, 64)로 이루어지는데, 이들 거울은 축선(a)을 따라 근접 공초점 에탈론(near confocal etalon)으로서 정렬된다. 거울(62, 64)은 셀(60)의 입력 및 출력 윈도우를 구성한다. 연구 중인 샘플 가스는 셀(60)의 광 축선(a)과 동축을 가지는 협소 튜브(66)를 통해 유동한다. 거울(62, 64)은 셀(60)의 광 정렬의 조절을 허용하도록 방진 벨로우즈(vacuum tight bellows)에 의해 밀봉되는 조절식 플랜지 또는 마운트 상에 위치한다.
거울(62, 64)은 고반사성 유전체 코팅을 가지며 셀(60)에 의해 형성된 캐비티 내부에서 대향하는 코팅과 배향된다. 소량의 레이져 광은 전방 거울(62)을 통해 셀(60)로 투사되며 셀(60)의 캐비티 내부에서 전후로 "울린다(ring)". 셀(60)의 후방 거울(64)(반사기)을 통해 전송된 빛은 제 3 렌즈(68)를 향해 그리고 이 렌즈를 통과해서 인도되며, 다음에 제 1 광검출기(79(PD 1) 상에 충돌한다. 광 검출기(70, 94) 각각은 유입 광 비임을 전류로 변환시키고, 따라서 컴퓨터 제어 전자부품(100)에 신호를 입력 신호를 제공한다. 입력 신호는 캐비티 링 다운의 자연 붕괴율을 나타낸다.
도 3은 종래의 CRDS 공진기(100) 내부의 광 경로를 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이, CRDS용 공진기는 2 개의 브루스터(Brewster)의 각 역반사기프리즘(50, 52)를 사용하는 것을 기초로 한다. 편광 또는 브루스터의 각도, ΘB, 가 프리즘(5)에 대해 나타난다. 입사광(12) 및 출사광(14)은 프리즘(52)으로부터 입력 및 출력으로 각각 도시되어 있다. 공진 광 비임은 약 45°에서 각각의 프리즘(50, 52)에서의 손실없이 2 개의 전체 내부 반사를 경험하는데, 이러한 각도는 융합된 유리 및 대부분의 다른 통상의 광 프리즘 재료에 대한 임계각보다 크다. 빛은 프리즘(50, 52) 사이에서 광 축선(54)을 따라 이동한다.
다른 분광 방법과 비교할 때, 링 다운 캐비티 분광법은 실행하기에 보다 단순하고 보다 저렴하지만, 링 다운 캐비티 분광 시스템은 유닛 당 수천 달러 정도의 비용이 들 수 있다는 점에서 여전히 비용이 많이 든다. 또한, 종래의 CRDS 장치는 제조하는 동안 그리고 사용하는 동안 광 요소들 사이에서 오정렬하기 쉽다.
개선된 공진기 구성으로 공지된 방법들의 단점을 극복하기 위해, CRDS용 새로운 광섬유 본위 광 공진기가 제공된다. 본 발명의 목적은 종래의 유전체 거울 또는 프리즘 역반사기를 대체하여, 보다 내구성을 가지면서 보다 저렴한 공진기를 제공하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 흡수 분광기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 링-다운 캐비티 분광기용 광섬유 공진기의 사용에 관한 것이다.
도 1은 로그 눈금 상의 전자기 스펙트럼을 도시한다.
도 2는 미러를 사용하는 종래의 CRDS 시스템을 도시한다.
도 3은 프리즘을 사용하는 종래의 CRDS 셀을 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5a는 종래의 광섬유의 단부도이다.
도 5b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 센서의 사시도이다.
도 6a는 케이블 내부에서의 방사선의 전파를 나타내는 광섬유 케이블의 횡단면도이다.
도 6b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 소산 영역을 나타내는 광섬유 센서의 횡단면도이다.
도 6c는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 소산 영역을 나타내는 광섬유 센서의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
상술한 목적 및 다른 목적을 달성하기 위해, 그리고 이들 목적의 견지에서, 본 발명은 샘플 가스 내의 미량 종 검출 및 측정을 위한 향상된 장치를 제공한다. 이러한 장치는 상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 일부분이 노출된 패시브형(passive) 광섬유 링과, 간섭성 광원과, ⅰ) 상기 간섭성 광원에 의해 방사된 방사선의 일부분을 상기 패시브형 광섬유 링에 도입시키고, ⅱ) 상기 패시브형 광섬유 링 내에서 공진하는 방사선의 일부분을 수용하기 위한 결합 수단과, 상기 결합 수단에 의해 수용된 상기 방사선의 레벨을 검출하고, 상기 검출된 레벨에 응답하여 신호를 발생시키기 위한 검출기와, 그리고 상기 검출기에 의해 발생된 상기 신호에 근거하여 상기 가스 샘플 및 상기 액체 샘플 내의 상기 미량 종의 레벨을 결정하기 위한 상기 검출기에 결합된 프로세서를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 미량 종의 레벨은 검출기 수단에 의해 발생된 신호의 자연 붕괴율에 근거하여 결정된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 결합 수단과 검출기 사이에 필터가 위치하여, 패시브형 광섬유 루프로부터 검출기로의 방사선의 수용된 부분을 선택적으로 통과시킨다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 결합기는 상기 광섬유 링의 제 1 섹션에 상기 간섭성 광원에 의해 방사되는 상기 방사선의 일부분을 도입시키기 위한 ⅰ)제 1 결합기, 및 상기 광섬유 링의 제 2 섹션에서 상기 패시브형 광섬유 링 내에 상기 방사선의 일부분을 수용하기 위한 ⅱ)제 2 결합기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광섬유의 노출된 부분은 광섬유의 클래딩이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광섬유의 노출된 부분은 광섬유의 내부 코어이다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 간섭성 광원은 광 매개변수 발생기, 광 매개변수 증폭기, 또는 레이져이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광섬유 내부에서 이동하는 방사선의 소산 영역은 샘플 가스 또는 샘플 액체에 노출되어 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 광섬유로부터의 방사선의 흡수는 방사선의 자연 붕괴율을 증가시킨다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 패시브형 공진 섬유는 중공의 코어이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 장치는 공진 광섬유의 노출된 부분의 섹션으로 래핑되며 원통형 몸체로 형성되는 센서를 더 포함하여, 미량 종에 대한 소산 영역의 노출이 소산 영역의 관통 깊이를 증가시킴으로써 향상된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 패시브형 광섬유 링의 적어도 일부분은 재료로 코팅되어, 광섬유 링의 코팅된 부분에서 미량 종의 농도를 선택적으로 증가시킨다.
전술한 개괄적인 설명과 다음의 상세한 설명 모두는 본 발명의 실례로서 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 통상의 관례에 따라, 도면의 여러 형상들이 축척대로 도시되어 있지 않음을 이해한다. 반대로, 여러 형상들의 치수는 명확한 도시를 위해 임의로 확대 또는 축소되어 있다. 다음의 도면이 도면에 포함되어 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제 1 실시예에 따른 광섬유 본위 링-다운 장치(400)를 도시하고 있으며, 이러한 장치를 통해 가스 및 액체 내의 미량 종(species) 또는 물질(analytes)이 통과하여 검출될 수 있다. 도 4에서, 이러한 광섬유 본위 링-다운 장치(400)는 광섬유 케이블(402)의 길이를 따라 분포된 광섬유 케이블(402) 및 센서(500)(아래에 상세히 기술되어 있음)를 구비하는 공진 광섬유 링(408)을 포함한다. 이러한 공진 광섬유 링(408)의 길이는 예컨대 물리적 플랜트의 여러 섹션을 통한 주변 감지 또는 통과와 같은 여러 획득 시츄에이션에 대해 용이하게 적합시킬 수 있다. 도시한 바와 같이, 센서(500)는 광섬유 루프(408)를 따라 분포된다. 필요하다면, 본 발명은 하나의 센서(500)만을 사용하여 실시될 수도 있다. 하나 이상의 센서(500)를 분포시킴으로써, 설치 사이트 전체에 걸쳐 여러 포인트에서 미량 종을 샘플링할 수 있다. 본 발명은 샘플 액체 또는 기체에 노출된 섬유(402)의 일직선 섹션과 센서(500)의 조합체, 또는 샘플 액체 또는 기체에 노출된 섬유(402)의 단지 일직선 섹션과 센서(500)의 조합체를 사용하여 실시될 수도 있다. 공진 광섬유 링의 길이는 1 km만큼 작거나 수 km만큼 클 수도 있음이 예상된다.
예컨대 광 매개변수 발생기(optical parametric generator; OPG), 광 매개변수 증폭기(optical parametric amplifier; OPA) 또는 레이져와 같은 방사선의 간섭성 광원(404)은 중요한 물질 또는 미량 종의 흡수 주파수와 일치하는 파장으로 방사선을 방출시킨다. 간섭성 광원(404)은 중요한 미량 종에 기반하는 협대역(narrow band)을 가지는 회전식 다이오드 레이져일 수도 있다. 상업적으로 이용가능한 광 매개변수 증폭기의 실례는 미국 캘리포니아 마운틴 뷰에 소재하는 스펙트라 피직스(Spectra Physics)로부터 이용가능한 모델 번호 OPA-800C이다.
간섭성 광원(404) 대(versus) 물질의 주파수의 실례는 표 1에 개략적으로 설명되어 있다. 표 1은 단순히 도해를 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 인간 및/또는 동물에 유해한 여러 화학적 생물학적 작용제를 검출하는데 사용될 수 있음이 또한 예상된다. 이러한 검출은 원하는 항원을 명확하게 결합시키는 항체에 의해 패시브(passive) 광섬유 링의 표면을 코팅함으로써 향상될 수 있음이 또한 예상된다.
물질 또는 미량 종 근적외선 근사 파장 중적외선 근사 파장
물(H20) 1390 nm 5940 nm
암모니아(NH3) 1500 nm 10300 nm
메탄(CH4) 1650 nm 3260 nm
이산화탄소(CO2) 1960 nm 4230 nm
일산화탄소(CO) 1570 nm; 2330 nm 4600 nm
산화질소(NO) 1800nm; 2650 nm 5250 nm
이산화질소(NO2) 2680m 6140 nm
일산화질소(N2O) 2260 4470 nm
이산화황(SO2) 7280 nm
아세틸렌 1520 nm 7400 nm
불화수소(HF) 1310 nm
염화수소(HCl) 1790 nm 3400 nm
브롬화수소(HBr) 1960 nm 3820 nm
요오드화수소(HI) 1540 nm
시안화수소(HCN) 1540 nm 6910 nm
황화수소(H2S) 1570 nm
오존(O3) 9500 nm
포름알데히드(H2CO) 1930 nm 3550 nm
포스핀(PH3) 2150 nm 10100 nm
산소(O2) 760 nm
예시적인 제 1 실시예에서, 간섭성 광원(404)으로부터 선택적인 광 절연체(406), 결합기(coupler; 410), 및 소산 입력 결합기(evanescent input coupler; 412)를 통해 공진 광섬유 링(408)으로 방사선이 공급된다. 간섭성 광원(404)이 다이오드 레이져라면, 광 절연체(406)의 사용에 의해, 레이져 안으로 역반사되는 것을 방지하여 레이져에서의 소음을 최소화시킬 수 있다는 장점을 제공한다. 소산 입력 결합기(412)는 간섭성 광원(404)으로부터 공진 광섬유 링(408)으로 정률(fixed percentage)의 방사선을 제공할 수도 있거나, 또는 공진 광섬유 링(408) 전체에 걸쳐 존재하는 손실에 근거하여 조절할 수도 있다. 바람직하게로는, 소산 입력 결합기(412)에 의해 공진 광섬유 링(408)에 제공된 방사선의 양은광섬유 케이블(402) 및 커넥터(도시 안됨) 내에 존재하는 손실과 부합된다. 상업적으로 이용가능한 1% 커플링(99%/1% 분할율 커플링)의 방사선을 제공하는 소산 결합기는 미국 뉴저지에 소재하는 뉴톤의 토르랩(ThorLabs of Newton)에 의해 제조되며 부품번호 10202A-99를 가지고 있다. 바람직한 실시예에서, 소산 입력 결합기(412)는 간섭성 광원(404)으로부터 광섬유 케이블(402) 안으로 공급되는 방사선의 1% 미만을 결합시킨다.
하나의 예시적인 실시예에서, 미량 종 또는 물질을 검출하기 위해, 광섬유 케이블(402)을 덮는 재킷(402a)의 일부분이 제거되어, 광섬유 케이블(402)의 내부 코어(402c)를 둘러싸는 클래딩(402b)을 노출시킨다. 대안으로, 재킷(402a) 및 클래딩(402b) 모두가 제거될 수 있어서 내부 코어(402c)를 노출시키거나, 또는 광섬유 케이블(402)의 재킷형 부분이 샘플 액체 또는 가스에 노출될 수도 있다. 후자의 방법은 예컨대, (재킷 내에 흡수되거나 용해되어 있었던) 미량 종과의 상호작용을 위해 소산 영역(evanescent field)(아래에서 상세히 기술한다)이 재킷 안으로 연장하는 경우에 유용할 수 있다. 재킷과 클래딩 모두를 제거하는 것은 가장 바람직한 것은 아니지만, 내부 코어(402c)의 취성으로 인해 일부 유형의 광섬유 케이블에 사용되었다. 종래의 광섬유 케이블의 횡단면은 도 5a에 도시되어 있다.
총 내부 반사(total internal reflection; TIR) 요소를 구부려서 각도를 변화시키며, 발생되는 전자기파는 이러한 각도로 반사면과 접촉한다. 원통형 몸체 둘레의 광섬유를 구부리는 경우에, 몸체와 대향하는 광섬유의 코어의 표면 상에서의 반사각이 법선에 보다 근접하고, 소산 영역의 관통 깊이가 증가한다. 원통형코어 요소(502) 둘레로 수 회의 광섬유(402)를 래핑함으로써(도 5b), 소산 영역 관통 깊이가 증가하고 보다 긴 길이의 섬유가 보다 작은 물리적 체적에서 검출 유체에 노출될 수 있다. 굽힘 반경을 감지하는 것으로부터 변화시키는 광섬유의 개선점의 실험적인 증명은 "근적외선 분광기용 굽힘형 실리카 섬유 소산 흡수 센서(Bent Silica Fiber Evanescent Absorption Sensors for Near Infrared Spectroscopy", 응용 분광학 53:845-849(1999)에서 리틀존(Littlejohn) 등에 의해 논의되어 있다.
도 5b는 액체 또는 가스 샘플 내의 미량 종을 검출하는데 사용되는 예시적인 센서(500)를 도시한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 센서(500)는 소정의 길이부(506)에 걸쳐 코어 요소(502) 둘레로 클래딩(402b)이 노출(본 실시예), 래핑되어 있는 광섬유의 일부분을 가지는 원통형 코어 요소(502)(고상(solid), 중공(hollow) 또는 이것이 아니라면 투과성을 가질 수 있는 요소)를 포함한다. 광섬유 케이블(402)의 코어(402c)가 노출되는 코어 요소(502)를 래핑함으로써 센서(500)를 조립할 수도 있다. 코어 요소(502)의 직경은 광섬유 코어(402c)가 임계 반경(critical radius; r) 미만으로 형성될 정도의 크기이며, 이러한 임계 반경(r)에서 포인트 초과 방사선이 코어 요소(502) 주위를 둘러쌀 때 광섬유 코어(402c)를 통과하여 소실될 수도 있거나, 또는 섬유 완전성이 손상된다. 이러한 임계 반경(r)은 광섬유 케이블(402)을 관통하는 방사선의 주파수 및/또는 광섬유의 조성에 좌우된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 코어 요소(502)의 반경은 약 1cm 내지 10cm, 가장 바람직하게로는 적어도 약 1cm이다. 도해된 바와 같이,광섬유 케이블(402)로부터의 방사선이 입력부(502)에 제공되고 출력부(508)에서 견출된다. 원통형 코어 요소(502)의 표면 상에는 나선형 홈이 제공될 수 있으며, 이러한 나선형 홈 내에 광섬유(402)가 위치하고, 또한 원통형 코어 요소(502)에 광섬유(402)를 고정시키기 위한 수단이 위치한다. 이러한 고정 수단은 원통형 코어 요소(502) 안으로 태핑된 스크류, 에폭시 또는 실리콘 러버와 같은 접착제 등과 같은 다수의 형태를 취할 수 있다. 본 발명은 센서(500)가 광섬유(402)와 일체형이거나, 상업적으로 이용가능한 광섬유 커넥터를 사용하는 광섬유(402)에 결합될 수 있는 곳에서 실시될 수 있다.
도 6a는 종래의 광섬유 케이블을 통해 방사선이 어떻게 전파되는가를 도시하고 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 방사선(606)은 내부 코어(402c)와 클래딩(402b) 사이의 경계에서 총 내부 반사(TIR)를 보인다. 약간의 무시가능한 손실이 존재하는데, 이러한 손실만큼 방사선이 반사되는 것이 아니라 클래딩(402b) 안으로 흡수된다. 도 6a는 광섬유 케이블로서 설명되지만, 도 6a 및 본 발명의 예시적인 실시예는 중공의 도파관(hollow waveguide)과 같은 중공의 섬유에 동일하게 적용가능하며, 여기서 클래딩(402b)은 중공의 코어를 둘러싼다.
도 6b는 코어 요소(502) 둘레로 광섬유 케이블(402)을 래핑하는 효과를 도해하는 센서(500)의 하나의 예시적인 실시예의 횡단면도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 광섬유 케이블(402)로부터 재킷(402a)이 제거되어 있다. 방사선(606)은 코어(402c) 내부에서 이동하며, 무시가능한 손실(609)을 가지면서 코어 요소(502)와 인접한 클래딩의 일부분(402b-1)과 내부 코어(402c) 사이의 경계에서 총 내부 반사를 보인다. 한편, 미량 종 또는 물질(610)의 존재시에, 소산 영역(608)은 클래딩의 노출된 부분(402b-2)과 내부 코어(402c) 사이의 경계면을 통과한다. 이것은 본질적으로 존재하는 미량 종(610)의 양에 근거하여 방사선(606)을 감쇠시키며, 이것은 감쇠된 총 내부 반사(ATR)라고 한다. 방사선의 파장과 호환가능한 흡수 대역(absorption band)을 가지는 미량 종이 존재하지 않는다면, 방사선(606)은 (광섬유 내의 고유의 손실에 의해서와는 달리) 감쇠되지 않는다.
도 6c는 재킷(402a)의 일부분이 온전하게 남아있는 코어 요소(502) 둘레로 광섬유 케이블(402)을 래핑한 결과를 도해하는 센서(50) 다른 예시적인 실시예의 횡단면도이다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 재킷(402a)의 상부 부분만이 광섬유 케이블(402)로부터 제거되어 있다. 센서(500)의 예시적인 제 1 실시예와 유사하게, 방사선(606)은 코어(402c) 내부에서 이동하며, 무시가능한 손실(609)을 가지며 코어 요소(502)와 인접한 클래딩(402b-1)의 일부분과 내부 코어(402c) 사이의 경계에서 총 내부 반사를 보인다. 한편, 미량 종 또는 물질(610)의 존재시에 소산 영역(608)은 클래딩의 노출된 부분(402b-2)과 내부 코어(402c) 사이의 경계면을 관통한다.
재킷(402a)의 제거(센서(500)의 다른 실례에서)는 종래의 광섬유 스트리핑 툴(fiber optic stripping tool)과 같은 기계적 수단에 의해, 또는 클래딩(402b)과 내부 코어(402c)에 영향을 주지 않고 재킷(402a)을 공격하며 용해시키는 용매 내에 광섬유 케이블을 침지시킴으로써 실행될 수도 있음이 고려된다. 재킷(402a)을 부분적으로 제거하는 경우에, 용해 방법은 제거를 위해 재킷의 일부분에 용매를 선택적으로 적용함으로써 변경될 수도 있다.
액체 샘플 내의 미량 종의 물질 분자의 인력을 향상시키기 위해, 패시브형 광섬유 링의 비재킷 부분은 재료로 코팅될 수 있어서, 광섬유 링의 코팅된 부분에서 미량 종의 농도를 선택적으로 증가시킨다. 이러한 코팅 재료의 하나의 실례는 폴리에틸렌이다. 추가로, 높은 특이성을 가지는 원하는 생물학적 물질을 끌어당기도록 광섬유를 코팅하기 위해 항원 특이성 결합체(antigen specific binders)를 사용할 수도 있다. 도 4를 다시 참조하면, 센서(500)를 통과한 후 남아있는 방사선은 광섬유 루프(402)를 계속해서 통과한다. 잔존하는 방사선의 일부분은 소산 출력 결합기(416)에 의해 광섬유 루프(402)없이 결합된다. 소산 출력 결합기(416)는 검출기(418)와 신호 라인(422)을 통해 프로세서(420)에 결합된다. 프로세서(420)는 예컨대 검출기(418)의 아나로그 출력을 프로세싱을 위해 디지털 신호로 변환시키기 위한 수단을 구비하는 PC일 수도 있다. 프로세스(420)는 또한 제어 라인(424)을 통해 간섭성 광원(404)을 제어한다. 검출기(418)로부터 프로세서(420)에 의해 신호가 일단 수신되면, 프로세서는 수용된 방사선의 자연 붕괴율(decay rate)에 근거하여 존재하는 미량 종의 양과 유형을 결정할 수 있다.
선택적으로, 파장 선택기(430)는 소산 출력 결합기(416)와 검출기(418) 사이에 위치할 수도 있다. 파장 선택기(430)는 필터로서 작용하여, 소정의 범위 내에 있지 않은 방사선이 검출기(418) 안으로 들어가는 것을 방지한다.
검출기(414)는 입력 결합기(412)의 출력부에 결합된다. 미량 종 분석을 실행하는데 충분한 방사선을 공진 광섬유 링(402)이 수용한 때를 결정하는데 사용하기 위해 신호 라인(422)을 통해 프로세서(420)에 검출기(414)의 출력부가 제공된다.
액체 내에서 미량 종 또는 물질을 검출한 경우에, 액체의 굴절률은 광섬유 케이블의 굴절률보다 낮아야 한다. 예컨대, n=1.46의 굴절률을 가지는 광섬유 케이블이 제공되면, 본 발명은 예컨대 메탄올(n=1.326), n-헥산(n=1.372), 디클로로메탄(n=1.4242), 아세톤(n=1.3588), 디에틸에테르(n=1.3526), 및 테트라히드로후란(n=1.404)을 포함하여, 다수의 유기 용매와 물(n=1.33)에 용해된 미량 종을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 광범위한 목록의 화학 물질과 이들 각각의 굴절률이 위스트, 로버 씨. 편. 1971. 화학 및 물리학의 CRC 핸드북, 52판 에. 오하이오주 클리브랜드: 케미컬 러버 컴파니(Chemical Rubber company), p. E-201에 수록되어 있으며, 본 명세서에서 참조하였다. 상이한 굴절율을 가지는 이용가능한 다른 유형의 광섬유가 존재하며, 본 발명은, 광섬유가 목표 물질에 의해 흡수 대역의 영역의 빛을 효과적으로 전송한다는 것과 액체보다 높은 굴절율을 가진다는 것 모두를 가정하여 주어진 액체 매트릭스에 적합하게 될 수 있다.
현재 이용가능한 다수의 상이한 유형의 광학 섬유가 존재한다. 하나의 실례는 전자 통신 분야에서 표준 사용되는 코닝(Corning)의 SMF-28e 융합 실리카 섬유이다. 미국 텍사스 오스틴에 소재하는 3M에 의해 제조된 488 nm/514 nm 단일 모드 섬유(제품 번호 제 FS-VS-2614), 미국 텍사스 오스틴에 소재하는 3M에 의해 제조된 630 nm 시현가능 파장 단일 모드 섬유(제품 번호 제 FS-SN-3224), 미국 텍사스 오스틴에 소재하는 3M에 의해 제조된 820 nm 표준 단일 모드 섬유(제품 번호 제 FS-SN-4224), 및 일본의 KDD 화이바랩에 의해 제조된 4 마이크론 투과율을 가지는 0.28-NA 불화물 유리 섬유와 같은 상이한 크기의 파장에서 빛을 전송하는 특수 섬유가 존재한다. 또한, 상술한 바와 같이, 광섬유 케이블(402)은 중공의 섬유일 수 있다.
섬유(402)가 중간 적외선 전송식 섬유일 수 있어서, 상당히 높은 물질 흡수 강도를 가지는 스펙트럼 영역에 접근할 수 있고, 이로써 장치(400)의 감응도를 증가시킨다는 것이 예상된다.
도 7은 통과하는 가스 및 액체 내의 미량 종 또는 물질이 검출되는 본 발명의 예시적인 제 2 실시예를 도시한다. 도 7의 설명에서, 예시적인 제 1 실시예에 대해 기재된 것들과 유사한 기능을 수행하는 요소들은 동일한 도면부호를 사용할 것이다. 도 7에서, 장치(700)는 광섬유 케이블(402) 및 센서(500)를 포함하는 유사한 공진 광섬유 링(408)을 사용한다. 간섭성 광원(404)으로부터 선택적인 광 절연체(406), 결합기(410) 및 소산 입력/출력 결합기(434)를 통해 공진 광섬유 링(408)에 방사선이 제공된다. 소산 입력/출력 결합기(434)는 간섭성 광원(404)으로부터 공진 광섬유 링(408)으로 정률의 방사선을 제공할 수도 있거나, 또는 공진 광섬유 링(404) 전체에 걸쳐 존재하는 손실에 근거하여 조절가능하다. 예시적인 실시예에서, 수산 입력/출력 결합기(434)는 본질적으로 예시적인 제 1 실시예에 대해 상술한 소산 입력 결합기(412)의 재구성체이다. 바람직한 실시예에서, 소산 입력/출력 결합기(434)는 레이져(404)로부터 광섬유(402)로 1% 미만의 방사선을 결합시킨다.
미량 종의 검출은 예시적인 제 1 실시예에서 상술한 바와 유사하므로 여기서 다시 설명하지 않는다.
센서(500)를 통과한 후 남아있는 방사선은 계속해서 광섬유 루프(402)를 통과한다. 잔존하는 방사선의 일부분은 광섬유 루프(402)없이 소산 입력/출력 결합기(434)에 의해 결합된다. 소산 입력/출력 결합기(434)는 검출기(418) 및 신호 라인(422)을 통해 프로세서에 결합된다. 예시적인 제 1 실시예에서와 같이, 프로세서(420)는 제어 라인(424)을 통해 간섭성 광원(404)을 제어한다. 검출기(418)로부터 프로세서(420)에 의해 신호들이 일단 수신되면, 프로세서는 수용된 방사선의 자연 붕괴율(decay rate)에 근거하여 존재하는 미량 종의 양과 유형을 결정할 수 있다.
선택적으로, 소산 입력/출력 결합기(434)와 검출기(418) 사이에 파장 선택기(430)가 위치할 수도 있다. 이러한 파장 선택기(430)는 필터로서 작용하여, 소정의 범위 내에 있지 않은 방사선이 검출기(418) 안으로 입력되는 것을 방지한다. 파장 검출기(430)는 프로세서(420)에 의해 제어되어, 간섭성 광원(404)으로부터의 방사선이 광섬유(402)와 결합된 후 일정 시간 동안 간섭성 광원(404)으로부터의 방사선이 검출기(418)를 "블라인딩(blind)"하는 것을 방지한다.
임의의 특정 실시예를 참조로 도해하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 설명에 제한되지 않는다. 오히려, 청구의 범위의 균등물의 제한과 범위 내에서 본 발명의 주요 내용으로부터 벗어나지 않는 다양한 변경예가 가능하다.

Claims (56)

  1. 하나 이상의 샘플 가스 및 샘플 액체 내의 미량 종을 검출 및 측정하기 위한 장치로서,
    상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 일부분이 노출된 패시브형 광섬유 링과,
    간섭성 광원과,
    ⅰ) 상기 간섭성 광원에 의해 방사된 방사선의 일부분을 상기 패시브형 광섬유 링에 도입시키고, ⅱ) 상기 패시브형 광섬유 링 내에서 공진하는 방사선의 일부분을 수용하기 위한 결합 수단과,
    상기 결합 수단에 의해 수용된 상기 방사선의 레벨을 검출하고, 상기 검출된 레벨에 응답하여 신호를 발생시키기 위한 검출기와, 그리고
    상기 검출기에 의해 발생된 상기 신호에 근거하여 상기 가스 샘플 및 상기 액체 샘플 내의 상기 미량 종의 레벨을 결정하기 위한 상기 검출기에 결합된 프로세서를 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미량 종의 상기 레벨은 상기 검출기에 의해 발생된 상기 신호의 자연 붕괴율에 근거하여 결정되는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 수단은 단일 광 결합기인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 루프로부터 상기 검출기로 상기 수용된 방사선의 일부분을 선택적으로 통과시키기 위해 상기 결합 수단과 상기 검출기 사이의 광 경로 내에 위치하는 필터를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 필터는 상기 방사선의 파장에 근거하여 상기 검출기에 방사선을 통과시키는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 수단은, 상기 광섬유 링의 제 1 섹션에 상기 간섭성 광원에 의해 방사되는 상기 방사선의 일부분을 도입시키기 위한 ⅰ)제 1 결합기, 및 상기 광섬유 링의 제 2 섹션에서 상기 패시브형 광섬유 링 내에 상기 방사선의 일부분을 수용하기 위한 ⅱ)제 2 결합기를 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출된 부분은 상기 광섬유의 클래딩인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출된 부분은 상기 광섬유의 내부 코어인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성 광원은 광 매개변수 발생기인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성 광은 광 매개변수 증폭기인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성 광원은 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성 광원은 펄스형 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 간섭성 광원은 연속파 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  14. 제 11 항, 제 12 항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 레이져는 광섬유 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 연속파 레이져는 협대역을 가지는 회전식 다이오드 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 레이져와 상기 결합 수단 사이에 결합되며, 그리고 상기 레이져로부터 방사되는 방사선과 일치되게 결합되고, 상기 레이져 내의 소음을 최소화시키는 절연체를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 내부에서 이동하는 상기 방사선의 소산 영역이 상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 노출되어 있는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광섬유로부터의 상기 방사선의 흡수는 상기 결합 수단에 의해 수용되는 상기 방사선의 자연 붕괴율을 증가시키는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브형 공진 광섬유는 용융 실리카, 사파이어 및 불화물 본위 유리 중 하나로부터 형성되는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브형 공진 광섬유는 중공의 광섬유로부터 형성되는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 패시브형 공진 광섬유는 단일 모드 섬유인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  22. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 패시브형 공진 광섬유는 멀티-모드 섬유인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    소정의 직경을 가지며 상기 광섬유의 상기 노출된 부분으로 래핑되는 하나 이상의 원통형 몸체를 더 포함하며, 상기 미량 종에 대한 상기 소산 영역의 노출은 상기 소산 영역의 관통 깊이를 증가시킴으로써 향상되는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    소정의 직경을 각각 가지며 상기 공진 광섬유의 상기 노출된 부분의 각각의 섹션으로 래핑되는 복수의 원통형 몸체를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 관형 구조체는 맨드럴인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 맨드럴은 적어도 약 1 cm의 횡단 반경을 가지는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 맨드럴은 적어도 약 1 cm 내지 10 cm의 횡단 반경을 가지는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 미량 종은 물, 아세틸렌 및 암모니아 중 적어도 하나인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 간섭성 광원은 약 1390 nm 및 약 1513 nm의 파장 영역에서 회전가능한 단일 모드 레이져인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 링은 전자기 스펙트럼의 가시광선에서 중간 적외선 영역까지의 파장에서 공진하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 링의 적어도 일부분은 상기 액체 샘플 내의 상기 미량 종의 존재를 결정하기 위해 상기 액체 샘플 내부에 배치되어 있는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 링의 일부분은 재료로 코팅되어 상기 광섬유 링의 상기 코팅된 부분에서의 상기 미량 종의 농도를 선택적으로 증가시키는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 재료는 상기 미량 종의 물질 분자를 끌어당기는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 재료는 폴리에틸렌인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 링의 적어도 상기 코팅된 부분은 상기 액체 샘플 내의 상기 미량 종의 존재를 결정하기 위해 상기 액체 샘플 내부에 배치되어 있는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이져로부터의 에너지가 상기 광섬유 링에 제공되는 때를 결정하기 위한 입력 검출기를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 입력 검출기가 상기 레이져가 상기 광섬유 링에 에너지를 제공했는지를결정한 후 상기 광섬유 링으로부터 방사선을 수용하는 수용 수단에 근거하여 상기 레이져를 비활성화시키기 위한 제어 수단을 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 제어 수단 및 상기 입력 검출기는 상기 프로세싱 수단에 연결되어 있는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  39. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유의 굴절율은 상기 샘플 액체의 굴절율보다 큰,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  40. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유의 굴절율은 상기 샘플 가스의 굴절율 및 상기 미량 종의 흡수 대역을 근거로 하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  41. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링 안으로 결합된 상기 방사선의 일부분은 상기 결합 수단에 제공된 상기 방사선의 약 1% 미만인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  42. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링 안으로 결합된 상기 방사선의 일부분이 가변적인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  43. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링 안으로 결합된 상기 방사선의 일부분은 상기 패시브형 광섬유 루프 내부의 손실에 근거하여 변화되는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 패시브형 광섬유 루프 내부의 손실은 적어도 커넥터 손실 및 섬유 손실을 근거로 하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  45. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링의 길이는 적어도 약 1 m 인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  46. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링의 길이는 적어도 약 10 m 인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  47. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 링의 길이는 적어도 약 1 km 인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  48. 하나 이상의 샘플 가스 및 샘플 액체 내의 미량 종을 검출 및 측정하기 위한 장치로서,
    상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 일부분이 노출된 패시브형 공진 광섬유 링과,
    방사선을 방사하는 간섭성 광원과,
    상기 간섭성 광원에 의해 방사되는 방사선의 적어도 일부분을 상기 패시브형 공진 광섬유 링의 제 1 섹션에 제공하기 위한 제 1 광 결합기와,
    소정의 반경을 가지는 상기 노출된 광섬유 링의 일부분을 형성하도록 상기 노출된 광섬유 링의 일부분에 결합된 하나 이상의 원통형 몸체로서, 상기 샘플 액체 또는 상기 샘플 가스의 적어도 일부분이 상기 광섬유 링의 상기 형성된 부분과 접촉하는, 하나 이상의 원통형 몸체와,
    상기 공진 광섬유 링의 제 2 섹션으로부터 상기 패시브형 공진 섬유 링 내에 상기 방사선의 일부분을 수용하기 위한 제 2 광 결합기와, 그리고
    상기 제 2 광 결합기에 의해 수용된 상기 방사선의 자연 붕괴율에 근거하여 상기 가스 샘플 및 상기 액체 샘플 내의 상기 미량 종의 레벨을 결정하기 위한 상기 제 2 광 결합기에 결합된 프로세서를 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 2 광 결합기에 의해 수용된 상기 방사선에 응답하여 신호를 발생시키기 위해 상기 제 2 광 결합기와 상기 프로세서 사이에 결합된 제 1 광 검출기를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 레이져로부터의 에너지가 상기 패시브형 광섬유 링에 제공되는 때를 결정하기 위해 상기 제 1 광 결합기와 상기 프로세서 사이에 결합된 제 2 광 검출기를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 제 2 광 검출기는 상기 간섭성 광원으로부터 수용되는 방사선에 응답해서 상기 프로세서에 트리거 신호를 발생시키는,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  52. 제 48 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 광 결합기는 단일 결합기인,
    미량 종의 검출 및 측정 장치.
  53. 하나 이상의 샘플 가스 및 샘플 액체 내의 미량 종을 검출 및 측정하기 위한 방법으로서,
    상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 패시브형 광섬유 링의 광섬유의 일부분을 노출시키는 단계와,
    간섭성 광원으로부터 방사선을 방사하는 단계와,
    상기 간섭성 광원으로부터 상기 광섬유 링으로 방사되는 상기 방사선의 적어도 일부분을 결합시키는 단계와,
    상기 광섬유 링 내에서 이동하는 상기 방사선의 일부분을 수용하는 단계와, 그리고
    상기 광섬유 링 내에서의 상기 방사선의 자연 붕괴율에 근거하여 상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체 내의 미량 종의 레벨을 결정하는 단계를 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 방법.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 미량 종의 흡수 주파수에 근거하여 상기 패시브형 광섬유 링의 상기 노출된 부분의 적어도 일부분을 소정의 반경으로 형성시키는 단계, 및
    상기 샘플 액체 또는 상기 샘플 가스에 상기 광섬유의 상기 형성된 부분을 노출시키는 단계를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체에 상기 광섬유 내부에서 이동하는 상기 방사선의 소산 영역을 노출시키는 단계를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 미량 종에 의한 상기 방사선의 흡수에 응답해서 상기 광섬유에서의 상기 방사선의 자연 붕괴율에 근거하여 상기 샘플 가스 또는 상기 샘플 액체 내의 상기 미량 종의 레벨을 결정하는 단계를 더 포함하는,
    미량 종의 검출 및 측정 방법.
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