KR20100043463A - 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법 - Google Patents

테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 2개의 서로 다른 고정된 반복 주파수를 갖는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 중첩시키고 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시켜 얻은 테라헤르츠 펄스파를 검출하고, 분석하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 분광방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 테라헤르츠파 분광기에 있어서, 각각이 반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 팸토초 레이저펄스를 발생시키는 2개의 팸토초 레이저 발생기; 각각의 팸토초 레이저 발생기로부터 발생된 각각의 팸토초 레이저펄스를 이용하여 반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기; 각각의 테라헤르츠 펄스파를 중첩시켜 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터; 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스파를 검출하고, 시간영역데이터를 얻는 검출기; 및 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 주파수 분해능인 반복주파수를 얻는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기이다.
Figure P1020080102510
팸토초 레이저, 테라헤르츠 펄스파, 반복주파수, 검출기, 오실로스코프

Description

테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법{Terahertz Frequency Comb Fourier Transformation Spectrometer and Spectroscopic Method}
본 발명은 샘플을 투과하고 나온 테라헤르츠 펄스파를 푸리에 변환하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 그 분광기를 이용한 분광방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 2개의 서로 다른 고정된 반복 주파수를 가지는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 중첩시키고 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시켜 얻은 테라헤르츠 펄스파의 시간간격파형을 검출하고, 시간영역데이터를 분석하여 샘플에 대한 정보를 얻는 분광기 및 분광방법에 대한 것이다.
테라헤르츠 주파수 대역은 1초에 1012 이상의 주기를 반복하는 파형으로 초고주파수에 해당한다. 이러한 테라헤르츠 대역에는 기체, 액체 또는 고체 상태의 수 많은 물질들의 고유한 특성들이 존재하게 된다. 따라서, 테라헤르츠 펄스파를 이용한 분광은 물질의 많은 중요한 정보를 획득할 수 있어 현재 매우 유용하게 사용되고 있다. 이러한 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테 라헤르츠 펄스파를 측정하는 테라헤르츠 분광은 테라헤르츠 대역의 물질에 굴절률, 흡수율 등의 정보를 알아내기 위해 사용된다.
테라헤르츠 분광에는 시간영역 분광과 주파수영역 분광이 있다. 주파수영역의 분광은 연속파 형태의 단일 주파수인 테라헤르츠 파의 주파수를 변화시키면서 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테라헤르츠 펄스파를 측정하여 스펙트럼을 얻는다. 또한, 시간영역 분광은 펄스 형태의 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 입사하여 투과 또는 반사되는 테라헤르츠 펄스파의 시간영역 파형을 측정하고 시간영역 데이터를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻게 된다.
기존에 시간영역 분광의 경우는 시간파형을 측정하기 위해 하나의 팸토초 레이저를 가지고 2개의 테라헤르츠 펄스파를 형성시키고, 스탬모터를 이용하는 딜레이 스테이지 또는 스케닝 옵티컬 딜레이 라인(scanning optical delay line)을 사용하여 테라헤르츠 펄스파 서로간의 시간시연을 만들어 시간영역데이터를 얻었다. 이러한 방법으로 데이터를 얻기 위한 측정속도는 스케닝 옵티컬 딜레이 라인의 스켄 레이트(scan rate)에 비례하게 된다.
그러나, 이러한 스케닝 옵티컬 딜레이 라인을 사용한 시간영역 데이터의 획득은 스켄레이트에 한계가 있어 고속으로 데이터를 획득하기 힘든면이 있었다. 따라서. 2개의 팸토초레이저에서 발생되는 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초 레이저를 이용하여 반복주파수의 차이를 스켄 레이트로 하여 고속 측정이 가능한 테라헤르츠 분광기가 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 서로 다른 반복주파수를 가지는 2개의 팸토초 레이저를 테라헤르츠 펄스파 발생기로 서로 다른 반복주파수를 가지는 테라헤르츠 영역대의 테라헤르츠 펄스파를 만들고, 이들을 중첩시켜 샘플에 투과하여 얻은 테라헤르츠 펄스파를 검출기가 시간영역 파형을 측정하게 된다. 따라서, 반복 주파수의 차이를 스캔레이트로 함으로 고속 측정이 가능하게 된다.
또한, 2개의 테라헤르츠 펄스파를 간섭계에 의해 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 파원으로 사용하여 샘플에 투과시키므로 각각의 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 주사하는 것과 달리 더욱 정밀하고 고속으로 데이터를 검출할 수 있다. 그리고, 시간영역데이터를 푸리에 변환을 하여 스펙트럼을 얻게 된다. 스펙트럼으로부터 반복 주파수에 해당하는 주파수 분해능을 가지게됨으로 고분해능이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명은 고속 및 고분해 테라헤르츠 분광을 가능하게 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 제공하게 된다,
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초 레이저를 이용하여 반복주파수의 차이를 스캔 레이트로하여 시간영역 데이터를 얻으므로 고속 및 고분해가 가능한 테라헤르츠 분광방법을 제공함에 있다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 테라헤르츠파 분광기에 있어서, 반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 팸토초 레이저 펄스를 각각 발생시키는 2개의 팸토초 레이저 발생기; 각각의 팸토초 레이저 발생기로부터 발생된 각각의 팸토초 레이저펄스를 이용하여 반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기; 각각의 테라헤르츠 펄스파를 중첩시켜 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터; 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스파의 시간영역데이터를 검출하는 검출기; 및 검출기에 의해 검출된 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 얻는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
팸토초 레이저펄스는 각각 서로 다른 반복주파수를 가지고, 테라헤르츠 펄스파도 각각 서로 다른 반복주파수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초 레이저펄스를 위상잠금루프에 의해 안정화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
위상잠금루프는, 팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
위상잠금루프는, 팸토초레이저 발생기에서 발생된 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
테라헤르츠 펄스파 발생기는, 광정도 안테나, 광정류를 이용하는 비선형결정 또는 표면을 이용하는 반도체인 것을 특징으로 할 수 있다.
테라헤르츠 빔스플리터는, 테라헤르츠 펄스파를 중첩시켜 테라헤르츠 간섭계를 구성하여 샘플에 투과시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
검출기는, 샘플을 투과한 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기인 것을 특징으로 할 수 있다.
강도 검출기는 볼로미터, 뉴매틱검출기 또는 초전성 검출기인 것을 특징으로 할 수 있다.
샘플을 투과한 중첩된 테라헤르츠 펄스파는 서로 다른 반복주파수의 차이를 반복주파수로 하는 모드들의 집합이며, 검출기에 의해 검출된 신호는 시간간격파형이고, 시간간격은 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터는, 시간간격파형으로부터 얻어지는 시간간격데이터이며, 시간간격데이터는 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 발생된 시간지연에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간간격데이터는 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호대 잡음비를 획득하며, 분석수단은 시간간격데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 테라헤르츠 영역대의 반복주파수에 분해능을 얻는 것을 특징으로 할 수 있다.
분석수단은 오실로스코프 또는 디지타이저인 것을 특징으로 할 수 있다.
팸토초 레이저 펄스의 반복주파수 차이에 해당하는 합주파수 신호를 오실로스코프의 트리거 신호로 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
분석수단에는 합주파수를 측정하는 측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 분광기를 이용한 분광방법에 있어서, 2개의 팸토초레이저 발생기로 각각 서로 다른 반복 주파수를 갖는 모드들의 집합인 팸토초레이저 펄스를 발생시키는 단계; 각각의 팸토초레이저 펄스를 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 각각 서로 다른 반복 주파수를 갖는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 단계; 각각의 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 빔스플리터를 이용하여 중첩시켜 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 형성하는 단계; 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시키는 단계; 샘플에 투과된 테라헤르츠 펄스파의 강도와 시간간격파형을 검출기로 측정하고 시간영역데이터를 얻는 단계; 및 분석 수단에 의해 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로 부터 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법으로 달성될 수 있다.
팸토초레이저 펄스를 발생시키는 단계 후에, 팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초레이저 펄스를 위상잠금루프에 의해 안정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
위상잠금루프는, 팸토초레이저 펄스의 서로 다른 반복주파수에 주파수차이를 안정화시키거나, 팸토초레이저 펄스의 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간영역데이터를 얻는 단계에서, 시간영역데이터는 측정된 시간간격파형으 로부터 얻어지는 시간간격데이터이며, 시간간격데이터는 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 발생된 시간지연에 해당되는 것을 특징으로 할 수 있다.
시간간격데이터는, 시간간격파형의 평균화에 의해 잡음을 줄여 원하는 신호대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 할 수 있다.
분석수단은 오실로스코프 또는 디지타이저이고, 팸토초 레이저 펄스의 반복주파수의 차이인 합주파수 신호를 오실로스코프의 트리거 신호로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기 및 분광방법으로 테라헤르츠 대역의 물질의 특성을 측정할 수 있다. 본 분광기는 서로 다른 반복주파수를 가지는 2개의 팸토초 레이저의 반복주파수 차이를 이용하여 테라헤르츠 펄스파의 상대적인 시간지연을 시간영역데이터로 사용하게 된다. 따라서 고속으로 시간영역데이터를 측정하고 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 물질의 특정을 분석할 수 있는 효과를 가지게 된다.
또한, 시간영역의 데이터를 푸리에 변환하여 주파수 영역의 스펙트럼을 얻으므로서 고분해능의 분석이 가능하게 된다. 따라서, 본 분광기는 반도체 공정상, 제품의 검사, 비파괴 검사, 보안검색, 생의학 진단 또는 상태변화의 실시간 모니터링 등 고속 및 고분해능이 필요한 각종 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다는 장점을 가진다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지 만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
(테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성)
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명인 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 우선, 도 1은 본 발명의 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기의 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각이 팸토초 레이저 펄스를 발생시키는 2개의 팸토초 레이저 발생기와 팸토초 레이저로부터 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기를 구비하고 있다. 그리고, 2개의 테라헤르츠 펄스파를 중첩시키는 테라헤르츠 빔스플리터(400)와 샘플(450)을 투과한 테라헤르츠 펄스파를 검출하고 검출된 시간간격파형의 신호인 시간영역데이터를 얻는 검출기(500) 및 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 주파수의 분해능을 얻는 분석수단을 포함하고 있다.
2개의 팸토초 레이저 발생기는 팸토초 단위 즉, 1/1015초의 시간을 가르는 레이저 펄스를 발생시킨다. 이는 극초단자빔으로서 1/1015초의 짧은 찰나에 시간을 가르며 진행하게 된다. 따라서, 팸토초 레이저는 광자와 전자를 조절할 수 있고, 1015 와트(페타와트,PW)정도의 에너지를 가지고 있다. 그리고, 2개의 팸토초레이저 발생기에는 레이저를 공급하는 펌프레이저(110)와 팸토초레이저 발생을 제어하는 레이저 컨트콜(120)이 연결되어 있다.
또한, 팸토초 레이저의 주파수는 반복주파수를 가진다. 따라서, 각각의 팸토초 레이저 발생기에서 발생된 팸토초 레이저 펄스는 고정된 반복주파수를 가지는 모드들의 집합이다. 그리고, 2개의 팸토초 레이저 발생기는 각각 서로 다른 반복 주파수를 가지는 팸토초레이저 펄스를 발생시킨다. 구체적 실시예로 제 1팸토초 레이저 발생기(50)는 100MHZ의 반복 주파수를 가지고, 제 2팸토초 레이저 발생기(100)에서는 10MHZ의 반복주파수를 가질 수 있다. 이 때에 각각의 반복주파수의 차이는 90MHZ가 될 것이다.
팸토초 레이저 발생기에 의해 발생된 팸토초 레이저펄스를 안정화하기 위해 위상잠금루프를 이용하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1팸토초 레이저 발생기(50)에서 발생된 제 1팸토초 레이저 펄스(f1)를 제 1빔스플리터(160)에 의해 투과되는 팸토초 레이저 펄스와 반사되는 레이저펄스 두개로 나누어 지게 된다. 또한, 제 2팸토초 레이저 발생기(100)에서 발생된 제 2팸토초 레이저 펄스(f2)도 제 2빔스플리터(170)에 의해 투과되는 레이저 펄스와 반사되는 레이저 펄스 두개로 나누어지게 된다. 제 1 및 제 2빔스플리터를 투과한 팸토초 레이저 펄스는 볼록렌즈(130)에 의해 렌즈(130)의 초점에서 중첩이 된 후 2개의 거울(131)에 의해 다시 통과했던 렌즈(130)를 통하여 되돌아가게 된다.
이러한 위상잠금루프를 통하여 제 1팸토초 레이저펄스(f1)와 제 2팸토초 레 이저펄스(f2)의 반복 주파수의 차이(fr1-fr2)를 안정화하거나 제 1팸토초 레이저와 제 2팸토초 레이저 각각의 반복주파수(fr1, fr2)를 안정화시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 팸토초 레이저 펄스 주파수의 그래프를 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 가로축은 주파수(광학 주파수영역대)에 해당하고, 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 주파수영역에서 보면 반복주파수(fr1, fr2)가 안정화된 팸토초 레이저 펄스는 아래의 식과 같은 주파수를 갖는 모드들의 집합이다. 따라서 제 1팸토초 레이저 펄스(f1)의 주파수는 도 2a에 도시된 바와 같이
f1 = n*fr1 + fo (n 은 정수) (1)-1
이고, 그래프의 간격은 제 1팸토초 레이저 펄스(f1)의 반복주파수(fr1)에 해당함을 알 수 있다. 또한, 제 2팸토초 레이저 펄스(f2)의 주파수는 도 2b에 도시된 바와 같이,
f2 = n*fr2+ fo (n 은 정수) (1)-2
이고, 그래프의 간격은 제 2팸토초 레이저 펄스(f2)의 반복주파수(fr2)에 해당함을 알 수 있다. 식 (1)-1 및 (1)-2에서, fr1 과 fr2는 반복주파수이고, 서로 다른 값을 가진다. fo는 케리어 앤밸롭 오프셋 주파수(carrier-envelope offset frequency)에 해당한다. 따라서, 제 1팸토초 레이저펄스(f1)는 fr1의 반복주파수를 가지는 모드들 의 집합이며, 제 2팸토초 레이저펄스(f2)는 fr2의 반복주파수를 가지는 모드의 집합이 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 안정화된 제 1 팸토초레이저 펄스(f1) 중 제 1빔스플리터(160)에 의해 반사된 팸토초 레이저펄스가 제 1 테라헤르츠 펄스 발생기(200)에 투과되어 테라헤르츠 대역의 주파수를 가지는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)가 발생되게 된다. 또한, 제 2 팸토초레이저 펄스(f2) 중 제 2빔스플리터(170)에 의해 반사된 팸토초 레이저펄스가 제 2테라헤르츠 펄스 발생기(300)를 투과하여 테라헤르츠 영역대의 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)가 발생되게 된다. 제 1테라헤르츠 펄스파 발생기(200) 및 제 2테라헤르츠 펄스파 발생기(300)에는 전원공급장치(260)가 연결되어 고출력의 전원을 공급받게 된다.
테라헤르츠 펄스파는 연속파형이 아닌 펄스형태를 가진 형태의 파로서 테라헤르츠 즉, 1초에 1012이상을 반복하는 주파수를 가지게 된다. 이러한 테라헤르츠 펄스파 발생기는 광정도 안테나, 광정류를 이용하는 비선형결정 또는 표면을 이용하는 반도체 등을 사용할 수 있다. 이러한 테라헤르츠 펄스파 발생기에서 발생한 테라헤르츠 펄스파는 주파수 영역에서 볼 때 반복주파수가 고정된 모드들의 집합인 테라헤르츠 주파수빗(terahertz comb)이다.
도 2c 및 도 2d는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)의 주파수를 도시한 그래프이다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 가로 축은 테라헤르츠 영역대의 주파수축이고, 세로축은 파워(전력,W)에 해당한다. 이러한 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)의 주파수는 도 2c에 도시된 바와 같이,
f1` = m*fr1 (m은 정수) (2)-1
이고, 그래프의 간격은 반복주파수인 fr1임을 알 수 있다. 또한, 제 2테라헤르츠 펄스파의 주파수는 도 2d에 도시된 바와 같이,
f2` = m*fr2 (m은 정수) (2)-2
이고, 그래프의 간격은 반복주파수인 fr2 임을 알 수 있다 여기서 fr1는 제 1테라헤르츠 펄스파의 반복주파수이고, fr2 는 제 2페라헤르츠 펄스파의 반복주파수이다. 이러한 반복주파수는 서로 다른 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 반복주파수(fr1 , fr2)는 식(2)-1 및 (2)-2에서 보는 바와 같이 팸토초 레이저 펄스파의 반복주파수와 동일한 값이다. 따라서, 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)는 반복주파수인 fr1를 가지는 모드들의 집합이고, 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 반복주파수인 fr2를 가지는 모드들의 집합이다.
이러한 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 중첩되게 된다. 즉, 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 반사 또는 투과되 며, 도 1에 도시된 바와 같이, 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 반사된 제 1테라헤르츠 펄스파와 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 투과된 제 2테라헤르츠 펄스파가 중첩되게 된다. 이러한 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 중접된 테라헤르츠 펄스파는 간섭계를 구성하게 된다.
그리고, 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플(450)에 투과하게 된다. 샘플(450)에 투과된 테라헤르츠 펄스파는 검출기(500)에 의해 검출된다. 검출기(500)는 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기(500)에 해당한다. 이러한 강도 검출기(500)로 볼로미터(bolometer), 뉴매틱 검출기(pneumatic detector,Golay cell) 또는 초전성 검출기(pyroelectric detector) 등을 사용하게 된다.
도 2e는 검출기(500)에서 측정되는 샘플(450)을 통과한 테라헤르츠 펄스파의 주파수 그래프를 도시한 것이다. 이러한 주파수는 제 1테라헤르츠 펄스파의 주파수(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파의 주파수(f2`)의 차이가 된다. 즉,
f`` = f1` - f2` = m*(fr1- fr2) = m*△fr (m 은 정수) (3)
가 된다. 따라서, 측정되는 주파수(f``)는 △fr의 반복주파수를 가지는 모드들의 집합이 된다. 또한, 반복주파수 △fr와 측정된 주파수(f``)는 테라헤르츠 대역이 아닌 라디로 주파수 대역에 해당한다. 따라서, 측정된 주파수(f``)에 fr1/(△fr) 또는 fr2/(△fr)을 곱하면 실제의 테라헤르츠 대역의 주파수로 변환된다. 검출기(500)의 검출신호는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1)의 반복주파수(fr1)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2)의 반복주파수(fr2) 차이에 따른 시간지연에 대한 시간간격파형의 신호이다.
검출기(500)는 검출된 시간간격파형의 신호로부터 시간영역 데이터를 얻게된다. 그리고, 시간영역데이터를 푸리에 변환을 하여 얻은 스펙트럼으로부터 주파수의 분해능을 얻는 분석수단을 구비하고 있다. 이러한 시간영역데이터를 푸리에 변환을 하여 얻은 스펙트럼에 의해 주파수의 분해능을 분석하여 샘플(450)에 대한 테라헤르츠 영역대의 정보를 알아 낼 수 있다.
시간영역의 데이터는 각각의 반복주파수 간격인 시간간격데이터가 된다. 시간간격데이터는 2개의 테라헤르츠 펄스파의 상대적인 시간지연의 함수로서 2개의 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하여 얻는다. 도 3a 및 도 3b는 이러한 테라헤르츠 펄스파의 강도를 시간영역에 도시한 그래프와 시간지연 함수를 도시한 것이다.
도 3a는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`) 주파수의 강도를 시간영역에 도시한 그래프와 제 1테라헤르츠 펄스파와 중첩된 테라헤르츠 펄스파(f``)의 차이에 해당하는 주파수의 강도를 시간영역에 도시한 그래프, 및 그에 따른 시간지연 함수를 함께 도시한 것이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 맨위쪽의 그래프는 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)의 반복주파수(fr1)의 강도를 측정한 그래프이다. 가로축은 시간축이고 세로축은 파 워(전력)에 해당한다. 따라서, 그래프의 주기는 1/fr1가 된다. 그리고, 중간에 도시된 그래프는 제 1테라헤르츠의 반복주파수(fr1)에서 측정되는 주파수(f``)의 반복주파수(△fr)를 뺀 주파수에 대한 강도를 측정한 것이다. 가로축은 시간축이고 세로축은 파워(전력)이 된다. 따라서, 그래프의 주기는 1/(fr1- △fr)가 된다.
맨 아래쪽의 그래프를 보면, 시간간격데이터인 시간지연을 나타낸 그래프이다. 시간지연의 함수는 가로축은 실시간시간축을 뜻하며, 세로축은 시간지연의 양을 나타낸다. 단위당 시간지연(τ1)은 맨 위쪽그래프에서의 주기인 1/fr1과 중간의 그래프의 주기인 1/(fr1- △fr)를 뺀 것이고, 시간지연(τ)은 이것에 비례하게 된다. 이러한 시간지연의 최대값은 맨 위쪽 그래프의 주기인 1/fr1`가 된다. 그리고 시간지연 그래프는 주기가 1/△fr로 계속 반복하게 됨을 알 수 있다. 이러한 시간영역에 대한 파형은 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호대 잡음비를 획득하게 된다.
또한, 도 3b는 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`) 주파수의 강도를 시간영역에 도시한 그래프와 제 2페라헤르츠 펄스파(f2`)와 중첩된 테라헤르츠 펄스파(f``)의 반복주파수(△fr) 차이에 해당하는 주파수(fr2-△fr)의 강도를 시간영역에 도시한 그래프, 그리고 그에 따른 시간지연 함수를 함께 도시한 것이다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 맨 위쪽의 그래프는 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)의 반복 주파수(fr2)의 강도를 시간영역에 나타낸 그래프이고, 주기는 1/fr2가 된다. 중간에 있는 그래프는 fr2-△fr 주파수에 대한 강도를 시간영역에 나타낸 그래프이고, 주기는 1/(fr2-△fr)가 된다. 맨 아래쪽 그래프는 시간지연함수를 도시한 것으로 단위당 시간지연(τ2)은 1/fr2 - 1/(fr2-△fr) 가 되고, 시간지연의 최대값은 1/fr2가 된다. 시간지연함수의 주기는 도 3a와 같이 1/△fr가 된다.
이러한 시간지연에 대한 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 시간영역을 주파수영역으로 변환하여 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이러한 스펙트럼으로부터 반복주파수의 분해능을 얻게됨으로 테라헤르츠 대역에 대한 샘플(450)의 굴절률, 흡수율 등에 대한 정보를 고속으로 얻을 수 있게 된다.
또한, 분석수단의 경우 오실로스코프(600) 또는 디지타이저 등을 사용하는데 구체적 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 오실로스코프(600)를 사용하였다. 오실로스코프(600)의 트리거 신호로 각각의 팸토초 레이저 펄스의 반복주파수 차이(fr1-fr2) 즉, 합주파수 신호를 사용하게 된다. 앞서 설명한 위상잠금루프에서 렌즈(130)에 의해 제 1팸토초 레이저펄스(f1)와 제 2팸토초 레이저펄스(f2)가 렌즈(130) 초점에서 중첩한다. 그리고, 렌츠초점에서 중첩된 제 1팸토초 레이저와 제 2팸토초 레이저의 반복주파수의 차이(fr1-fr2)를 측정하는 측정수단(140)을 구비하고 있다. 이러한 측정수단(140)에서 제 1팸토초레이저의 반복주파수(fr1)와 제 2팸토초레이저의 반복주파수(fr2)의 차이를 측정하고 전류 증폭기(150)에 의해 합주파수 신호를 발생시키게 된다.
또한, 테라헤르츠 검출기(500)의 반응속도가 빠를수록 각각의 팸토초 레이저의 반복주파수의 차이(fr1-fr2)를 증가 시킬 수 있다. 따라서, 반복주파수의 차이를 크게할 수록 측정속도를 증가시킬 수 있다. 그리고, 테라헤르츠 검출기(500)의 잡음이 작을수록 신호대 잡음비를 얻기 위한 평균화에 필요한 측정시간을 줄일 수 있다. 또한, 테라헤르츠 펄스파의 강도가 클수록 신호대 잡음비를 얻기 위해 평균화하는데 필요한 측정시간이 짧아지게 된다.
(테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법)
이하는 첨부된 도면을 참조하여 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법을 설명하도록 한다. 우선, 도 4는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저 2개의 팸토초레이저 발생기에서 서로 다른 반복주파수를 가지는 팸토초레이저를 발생하게 된다(S100). 따라서, 제 1팸토초레이저 발생기(50)는 반복주파수(fr1)를 가지는 모드들의 집합인 제 1팸토초 레이저 펄스(f1)를 발생시키고, 제 2팸토초레이저 발생기(100)는 반복주파수(fr2)를 가지는 모드들의 집합인 제 1팸토초 레이저 펄스(f2)를 발생시킨다. 그리고, 팸토초레이저 펄스는 위상잠금루프에 의해 안정화 된다(S200). 위상잠금루프에 의해 팸토초 레이저펄스 각각의 반복주파수 차이를 안정화 시키거나 팸토초레이저 각각의 반복주파수를 안정화시키게 된다.
안정화된 팸토초 레이저 펄스는 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)를 발생시키게 된다(S300). 앞서 설명한 바와 같이, 테라헤르츠 펄스파는 반복주파수(fr1, fr2)를 가지는 모드들의 집합이 된다. 그리고, 제 1테라헤르츠 펄스파(f1`)와 제 2테라헤르츠 펄스파(f2`)는 테라헤르츠 빔스플리터(400)에 의해 중첩된다(S400). 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 분석하고 싶은 샘플(450)에 투과하게 된다(S500).
샘플(450)을 투과한 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 시간간격파형의 신호를 검출기(500)에 의해 검출하게 된다(S600). 검출기(500)는 이러한 신호의 강도를 측정하게된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제 1테라헤르츠의 반복주파수(fr1)와 제 2테라헤르츠의 반복주파수(fr2)의 차이가 측정된 주파수(f``)의 반복주파수(△fr)가 된다. 따라서, 측정된 주파수(f``)는 반복주파수(△fr)를 가지는 모드들의 집합이며 라디오 주파수 대역에 해당한다. 따라서, fr1/△fr 또는 fr2/△fr 를 곱하여 실제 테라헤르츠 대역의 주파수를 알 수 있다.
그리고, 검출기(500)에서 검출된 신호를 분석수단에 의해 시간영역데이터를 얻고 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 주파수 영역으로 변환하게 된다. 푸리에 변환으로 주파수의 스펙트럼을 얻고 스펙트럼으로부터 반복주파수의 분해능을 얻어 샘플(450)에 대한 테라헤르츠 영역대의 정보를 알 수 있게 된다.(S700) 앞서 설명한 바와 같이, 분석수단으로 오실로스코프(600)를 사용할 수 있고, 테라헤르츠 펄스파의 상대적인 시간지연의 함수로서 2개의 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하여 시간영역데이터를 얻을 수 있다. 또한, 팸토초 레이저의 반복주파수의 차이(fr1-fr2)인 합주파수 신호를 오실로스코프(600)의 트리거 신호로 사용하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 해당하는 테라헤르츠 푸리에 변환 분광기의 구성도,
도 2a는 제 1팸토초 레이저 펄스의 주파수를 도시한 그래프,
도 2b는 제 2팸토초 레이저 펄스의 주파수를 도시한 그래프,
도 2c는 제 1테라헤르츠 펄스파의 주파수를 도시한 그래프,
도 2d는 제 2테라헤르츠 펄스파의 주파수를 도시한 그래프,
도 2e는 샘플을 통과한 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 주파수를 도시한 그래프,
도 3a는 제 1테라헤르츠 펄스파의 반복주파주와 중첩된 테라헤르츠 펄스파에 의한 시간지연을 시간영역에 나타낸 그래프,
도 3b는 제 2테라헤르츠 펄스파의 반복주파주와 중첩된 테라헤르츠 펄스파에 의한 시간지연을 시간영역에 나타낸 그래프,
도 4는 테라헤르츠 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50:제 1팸토초 레이저 발생기
100:제 2팸토초 레이저 발생기
110:펌프레이저
120:레이저 컨트롤
130:렌즈
131:거울
140:측정수단
150:증폭기
160:제 1빔스플리터
170:제 2빔스플리터
200:제 1테라헤르츠 펄스파 발생기
250:비축 포물면 거울
260:전원공급장치
300:제 2테라헤르츠 펄스파 발생기
400:테라헤르츠 빔스플리터
450:샘플
500:검출기
600:오실로스코프
f1:제 1팸토초 레이저 펄스
f2:제 2팸토초 레이저 펄스
fr1:제 1팸토초 레이저 펄스의 반복주파수(제 1테라헤르츠 펄스파의 반복주파수)
fr2:제 2팸토초 레이저 펄스의 반복주파수(제 2테라헤르츠 펄스파의 반복주 파수)
f1`:제 1테라헤르츠 펄스파
f2`:제 2테라헤르츠 펄스파
f``:중첩된 테라헤르츠 펄스파
△fr:중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수
τ:시간지연

Claims (21)

  1. 테라헤르츠파 분광기에 있어서,
    반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 팸토초 레이저 펄스를 각각 발생시키는 2개의 팸토초 레이저 발생기;
    각각의 상기 팸토초 레이저 발생기로부터 발생된 각각의 상기 팸토초 레이저펄스를 이용하여 상기 반복주파수를 가지는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기;
    각각의 상기 테라헤르츠 펄스파를 중첩시켜 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 형성시키는 테라헤르츠 빔스플리터;
    상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과한 후, 상기 샘플을 투과한 테라헤르츠 펄스파의 시간영역데이터를 검출하는 검출기; 및
    상기 검출기에 의해 검출된 상기 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 상기 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 얻는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 팸토초 레이저펄스는 각각 서로 다른 상기 반복주파수를 가지고,
    상기 테라헤르츠 펄스파도 각각 서로 다른 상기 반복주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 상기 반복주파수를 가지는 상기 팸토초 레이저펄스를 위상잠금루프에 의해 안정화하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 위상잠금루프는,
    상기 팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 상기 반복주파수의 주파수차이를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 위상잠금루프는,
    상기 팸토초레이저 발생기에서 발생된 상기 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 펄스파 발생기는,
    광정도 안테나, 광정류를 이용하는 비선형결정 또는 표면을 이용하는 반도체인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 테라헤르츠 빔스플리터는,
    상기 테라헤르츠 펄스파를 중첩시켜 테라헤르츠 간섭계를 구성하여 상기 샘플에 투과시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 샘플을 투과한 상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 강도를 측정하는 강도 검출기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 강도 검출기는 볼로미터, 뉴매틱검출기 또는 초전성 검출기인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 샘플을 투과한 상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파는 서로 다른 상기 반복주파수의 차이를 반복주파수로 하는 모드들의 집합이며,
    상기 검출기에 의해 검출된 신호는 시간간격파형이고, 상기 시간간격은 상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 테라 헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 시간영역데이터는,
    상기 시간간격파형으로부터 얻어지는 시간간격데이터이며,
    상기 시간간격데이터는 상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 발생된 시간지연에 해당되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 시간간격데이터는 평균화에 의해 잡음을 줄여서 원하는 신호대 잡음비를 획득하며,
    상기 분석수단은 상기 시간간격데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로부터 상기 테라헤르츠 영역대의 반복주파수에 분해능을 얻는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 분석수단은 오실로스코프 또는 디지타이저인 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 팸토초 레이저 펄스의 반복주파수 차이에 해당하는 합주파수 신호를 오실로스코프의 트리거 신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 분석수단에는 상기 합주파수를 측정하는 측정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기.
  16. 상기 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항의 분광기를 이용한 분광방법에 있어서,
    2개의 팸토초레이저 발생기로 각각 서로 다른 반복 주파수를 갖는 모드들의 집합인 팸토초레이저 펄스를 발생시키는 단계;
    각각의 상기 팸토초레이저 펄스를 2개의 테라헤르츠 펄스파 발생기에 의해 각각 서로 다른 상기 반복 주파수를 갖는 모드들의 집합인 테라헤르츠 펄스파를 발생시키는 단계;
    각각의 상기 테라헤르츠 펄스파를 테라헤르츠 빔스플리터를 이용하여 중첩시켜 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 형성하는 단계;
    상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파를 샘플에 투과시키는 단계;
    상기 샘플에 투과된 테라헤르츠 펄스파의 강도와 시간간격파형을 검출기로 측정하고 시간영역데이터를 얻는 단계; 및
    분석 수단에 의해 상기 시간영역데이터를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼으로 부터 상기 반복주파수에 해당하는 주파수 분해능을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 팸토초레이저 펄스를 발생시키는 단계 후에,
    상기 팸토초레이저 발생기에서 발생된 서로 다른 상기 반복주파수를 가지는 팸토초레이저 펄스를 위상잠금루프에 의해 안정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 위상잠금루프는,
    상기 팸토초레이저 펄스의 서로 다른 상기 반복주파수에 주파수차이를 안정화시키거나, 상기 팸토초레이저 펄스의 반복주파수 각각을 안정화시키는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 시간영역데이터를 얻는 단계에서,
    상기 시간영역데이터는 측정된 상기 시간간격파형으로부터 얻어지는 시간간 격데이터이며,
    상기 시간간격데이터는 상기 중첩된 테라헤르츠 펄스파의 반복주파수에 의해 발생된 시간지연에 해당되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 시간간격데이터는,
    상기 시간간격파형의 평균화에 의해 잡음을 줄여 원하는 신호대 잡음비를 획득하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 분석수단은 오실로스코프 또는 디지타이저이고, 상기 팸토초 레이저 펄스의 반복주파수의 차이인 합주파수 신호를 상기 오실로스코프의 트리거 신호로 하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 펄스파 푸리에 변환 분광기를 이용한 분광방법.
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