KR20110036945A - 주파수 빗 광원을 갖는 푸리에 변환 분광기 - Google Patents

Abstract

본 발명은: 간섭 광원(2); 간섭 광원을 둘 또는 그 이상의 부분으로 분리하여 주파수- 또는 위상-유도 효과로 둘 또는 그 이상의 부분 사이에 간섭을 생성하도록 구성되는 간섭계(4); 간섭을 검출하도록 구성되는 검출 수단(5)을 포함하는 푸리에 변환 분광기(1)에 관한 것으로, 상기 간섭 광원은 주파수 반복률을 갖는 주파수 빗 생성기(2)를 포함하고, 상기 검출 수단은 주파수 반복률 또는 주파수 반복률의 배수에 의해 분리되는 주파수 빗의 주파수 쌍들의 비팅을 검출하도록 구성된다.

Description

주파수 빗 광원을 갖는 푸리에 변환 분광기{FOURIER TRANSFORM SPECTROMETER WITH A FREQUENCY COMB LIGHT SOURCE}

본원은 2008년 7월 25일에 출원된 미국 가출원번호 61/083,620을 기초로 우선권을 주장하며, 그 내용 전체는 여기에서 본 명세서에 참조로 도입된다.

본 발명은 광학적 분광 분석 분야에 관한 것이다. 본 발명은 푸리에 분광기 및 이러한 푸리에 분광기를 사용하여 샘플의 스펙트럼을 측정하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 보다 구체적으로 다음과 같은 구성요소를 포함하는 푸리에 분광기에 관한 것이다:

- 간섭 광원;

- 진폭 또는 파면 분리에 의해, 상기 간섭 광원을 두 부분으로 분할하여 상기 두 부분들 사이에 간섭을 생성하는 간섭계; 및

- 상기 간섭을 검출하는 검출 수단.

이러한 푸리에 분광기는 예컨대, 2007년 6월 15일에 발간된 OPTICS LETTERS Vol. 32, No. 12, p. 1677 - 1679에 기재된 Mandon 등의 "Femtosecond laser Fourier Transform absorption spectroscopy"에 개시된다. 이 문헌에서, 간섭 광원은 Cr^{4 +}:YAG 펨토초 모드-잠금 레이저(mode-locked laser)이다.

그러나, 전술한 문헌에서 광원으로 Cr^{4 +}:YAG 펨토초 모드-잠금 레이저를 사용하는 것은 몇 가지 단점이 있다. 모드-잠금 레이저의 반복률(repetition rate)은 일정하지 않으며, 모드-잠금 레이저의 펄스들 간의 위상 편이(phase shift)는 안정되어 있지 않다. 그 결과, 모드-잠금 레이저의 스펙트럼은 날카롭고 등간격의 주파수 마커로 만들어지는 빗과 같은 구조를 나타내지 못한다. 이러한 빗 구조가 형성되지 않으므로, 분광기를 보정하기 위해 샘플의 일부 기준 종류의 스펙트럼을 알아야할 필요가 있다. 나아가, 간섭은 오직 모드-잠금 레이저의 주파수와 도플러 효과에 의해 편이된 동일한 주파수 사이에서만 측정될 수 있다. 따라서, 분광기의 노이즈 레벨은 간섭계 및 모드-잠금 레이저의 진폭 노이즈에 의해 생성된 일반적으로 음성 도메인의 프린지 스캐닝 레이트(fringe scanning rate)에 의해 제한된다. 또한, 이러한 분광기는 샘플에 의해 경험되는 흡수 및 확산에 대한 액세스를 제공할 수 없다.

본 발명은 전술한 종래의 제한을 극복할 수 있는 개선된 푸리에 분광기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 계측학에서 주로 사용되는 주파수 빗 생성기(frequency comb generators)를기반으로 하며, 상기 주파수 빗 생성기는 만족스러운 안정된 펄스를 제공할 수 있으며, 전술한 종래의 단점들을 극복한다.

제 1 양태에 따르면, 본 발명은 푸리에 변환 분광기에 관한 것으로, 상기 푸리에 변환 분광기는:

- 간섭 광원;

- 상기 간섭 광원을 둘 또는 그 이상의 부분들로 분리하여, 둘 또는 그 이상의 부분들 간에 주파수- 또는 위상-유도 효과, 간섭을 생성하는 간섭계; 및

- 간섭을 검출하도록 구성되는 검출 수단을 포함하며,

간섭 광원은 주파수 반복률을 갖는 주파수 빗 생성기를 포함하고, 본 발명의 특정 실시예에서, 검출 수단은 주파수 반복률 또는 주파수 반복률의 배수에 의해 분리되는 주파수 빗의 주파수 쌍들의 비팅(beating)을 검출하도록 구성될 수 있다.

종래의 검출은 이러한 주파수의 복제(replica)를 갖는 특정 주파수의 비팅으로부터 만들어졌으며, 상기 주파수의 복제는 간섭계의 이동 암에 의해 생성되는 도플러 효과 또는 위상 편이된 효과에 의해 주파수가 편이된다. 본 발명에서는, 주파수 빗의 반복률의 안정성이 주파수 반복률 또는 주파수 반복률의 배수, 즉, 주파수 반복률에 N(N ≥ 1)을 곱한 값에 의해 분리되는 주파수 쌍들로부터 검출하도록 사용된다.

이러한 새로운 타입의 검출로, 간섭 무늬의 노이즈 레벨이 적어도 1000만큼 감소된다.

간섭계는 바람직하게 유입되는 소스(source)를 두 개의 빔으로 진폭 또는 파면 분리하는 것을 기반으로 하는 간섭계이다. 예를 들어, 간섭계는 마이켈슨(Michelson) 간섭계일 수 있으며, 상기 마이켈슨 간섭계는 가장 단순한 광학 구성으로 고정식 미러, 이동식 미러 및 간섭 광원을 두 개의 부분으로 분리하도록 구성된 분리 수단을 포함하며, 제 1 부분은 고정식 미러 상에서 반사하도록 구성되고, 제 2 부분은 이동식 미러 상에서 반사하도록 구성된다. 모든 종래의 간섭 무늬 기록 과정(하나 또는 그 이상의 또는 하나도 없는 이동식 미러, 하나 또는 그 이상의 또는 하나도 없는 고정식 미러, 간섭 무늬를 생성하는 선형의 또는 변화없는 경로 차)이 사용가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조로 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 단색 광원 및 마이켈슨 간섭계를 갖는 푸리에 변환 분광기에서의 다운 변환(down-conversion)을 도시한다.
도 2는 광원으로 주파수 빗을 갖는 마이켈슨 간섭계에 대한 이동식 미러의 효과를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 분광기의 제 1 실시예를 도시한다.
도 4는 광원으로 주파수 빗을 갖고 빗 반복률에 의해 결정된 비율에서 동기화된 검출이 가능한 마이켈슨 간섭계용 이동식 미러를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 분광기의 제 2 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 분광기로 획득되는 흡수 스펙트럼을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 실험적인 흡수 및 분산 스펙트럼과 계산된 흡수 및 분산 스펙트럼 간의 비교이다.
도 8 및 도 9는 속도 변조를 위한 본 발명의 양태를 도시한다.
도 10 및 도 11은 제만(Zeeman) 분광학에 대한 본 발명의 양태를 도시한다.
도 12 및 도 13은 편광 변조에 대한 본 발명의 양태를 도시한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조로 상세하게 기술될 것이며, 명세서 전체에 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 주파수 빗 광원을 갖는 푸리에 변환 분광기 또는 이하 1C-FTS로 불리는 여기에 제시되는 분광기는 우선적으로 푸리에 변환 분광학 및 모든 관련된 기기 분석 방법(초분광 이미징(hyperspectral imaging), 현미경, 진동 원형이색성(vibrational circular dichroism), 감쇠 전반사(attenuated total reflection), 제만 변조(Zeeman modulation), 속도 변조, 선택적인 검출 기술, 시간 분해(time-resolved) 분광학)을 대상으로 하지만, 주파수 빗 광원을 갖는 두 개의 빔의 간섭계는 여기에 기술된 적용을 넘어 사용될 수도 있음을 알린다. 예를 들어, 여기에 기술되는 주파수 빗 광원을 갖는 두 개의 빔의 간섭계는 OCT(Optical Coherence Tomography), 간섭계 길이 측정, LIDAR(Light, Detection And Ranging), 반사측정법(reflectometry)에 사용되도록 구성될 수 있다. 또한, 여기에 특별히 기술되지 않은, 파면 또는 진폭 재결합을 기반으로 하는 다른 간섭계 응용이, 주파수 빗 광원 및 이하 기술되는 동기적인 검출 기술을 사용하여 주파수- 또는 위상-유도 효과를 생성하는 두 개의 빔 또는 다수의 빔의 간섭계로부터 효과를 얻을 수 있다.

도 1에 도시되고 그 자체로 알려진 바와 같이, 단석 광원 및 마이켈슨 간섭계를 갖는 푸리에 변환 분광기는 광학 주파수를 오디오 범위로 다운-변환(down-conversion)하는 기능을 제공하며, 다운-변환 팩터는 2v/c이며, 여기서 v는 간섭계의 이동식 미러의 속도이고 c는 빛의 속도이다.

본 발명에 따른 주파수 빗 생성기가 설명된다. 광학 FC(Frequency Comb)는 위상-간섭된 등간격의 레이저 라인으로 구성되는 광학 스펙트럼이다. 주파수 빗은 잘 알려져 있으며, 예를 들어, 2004년에 등록된 미국 특허등록번호 6,785,303, R. Holzwarth, J. Reichert, T. Udem, T.W. Hansch의 "Generation of stabilized, ultra-short light pulses and the use thereoffor synthesizing optical frequencies"; 2006년에 등록된 미국 특허등록번호 7,026,594, R. Holzwarth, T. Udem, T.W. Hansch의 "Method and device for producing radio frequency waves";또는 문헌 Nature 416, 233 (2002), T. Udem, R. Holzwarth, T.W. Hansch의 "Optical frequency metrology"이 주파수 계측학에 가장 많이 사용된다.

FFC(femtosecond frequency comb)를 유발하는 펨토초 레이저가 가장 많이 사용된다. 이러한 경우, 두 개의 연속적인 라인 간의 거리 f_rep는 모드 잠금 레이저의 캐비티 길이에 의존한다. 펨토초의 레이저로, 스펙트럼의 커버리지(spectral coverage)는 대략 수백 nm이다. 초연속체(super continuum)를 생성하는 기술은 상기 커버리지를 증가시키도록 사용가능하다. 주파수 빗을 구성하는 라인의 개수는 대략 10⁶ 또는 그 이상일 수 있다. 빗의 라인의 주파수는 매우 높은 정확도로 알려질 수 있다. 광학적 주파수 합성을 기반으로 한 펨토초 레이저에 대한 상세한 사항은 다양한 문헌, 예컨대 Cundiff 등의 << Femtosecond optical frequency combs >>, 현대물리 vol. 75의 검토, 페이지 325 - 342 (2003) 또는 Udem 등의 << Optical frequency metrology >>, 네이쳐 vol 416, 페이지 233 - 237 (2002)에서 확인할 수 있다.

요컨대, 펨토초 주파수 빗을 사용하는 경우, 초단 펄스(ultra short pulses)가 주기 T = l/v_g로 모드-잠금 레이저에 의해 주기적으로 발산되며, 여기서 l은 레이저 캐비티의 길이이고, v_g는 네트 그룹 속도이다. 캐비티 내에서의 분산으로 인해, 그룹 속도와 위상 속도는 달라지며, 각각의 펄스의 엔벌로프의 피크에 대한 캐리어의 위상 편이가 발생된다. 주파수 도메인에서, 주기적인 펄스 트레인의 스펙트럼 푸리에 변환은 레이저 모드의 빗으로 만들어지며, 상기 레이저 모드의 빗은 펄스 반복 주파수 f_rep에 의해 분리된다. 모드 주파수는 다음과 같은 관계를 따른다: f_n = n f_rep + f₀, 여기서 n은 정수이고 f₀는 엔벌로프 펄스-대-펄스 위상 편이에 기인한다. 현재, 빗의 출력 스펙트럼은 1 옥타브보다 큰 범위에 걸쳐 존재할 수 있으며, f_rep 및 f₀의 안정화의 최선의 레벨은 10¹⁹ 내의 일 부분보다 더 큰 완전한 그리드로부터 편차가 없는 정도이다.

다른 말로, 주파수 빗은 등간격의 라인들로 구성된 광학 스펙트럼이다. 모드-잠금 레이저로부터 주파수 빗을 생성하는 것은, 주기성이 펄스의 엔벌로프에만 적용되는 것이 아니라, 일정한 위상을 제외하고는 펄스의 광학적 위상을 포함하는 펄스의 전기장 전체에도 적용되는 것을 요구한다. 펄스들 간의 간섭이 요구된다. 주파수 빗 생성기는 비선형 섬유의 초연속체 생성에 의해 넓혀진 펨토초 발진기를 기반으로 할 수도 있다.

펨토초 모드-잠금 레이저에 의해 생성되는 주파수 빗은 그 매우 짧은 펄스 지속기간으로 인해 넓은 스펙트럼 커버리지를 가능하게 한다. 상기 스펙트럼 커버리지는 초연속체 생성을 통한 매우 비선형적인 광섬유를 기반으로 하는 스펙트럼 확장(spectral broadening)으로 더 향상될 수 있다. 상기 스펙트럼 확장은 빗의 구조를 보존하는 것으로 알려진다. 모드-잠금 레이저는 비선형적인 광 섬유에 의해 확장될 수 있거나 그리고/또는 차/합(difference/sum) 주파수 생성기, 조화파 발생(harmonic generation) 및/또는 파라미터 상호작용과 같은 주파수 변환 시스템에 결합될 수 있다.

대안적으로, 토로이달(toroidal) 마이크로공진기 또는 광학 섬유를 포함하는 적절한 물질 내에서 네 개의 파를 혼합시키는 것으로 빗을 생성할 수 있다. 위상 변조된 전기광학 장치가 빗을 생성할 수도 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 유입되는 주파수 빗 광원을 사용하여, 간섭계는 경로차의 함수로, 두 개의 서로 다른 주파수 빗 간의 간섭 패턴을 전달한다(도 2). 고정식 미러 암에 의해 반사되는 제 1 빗은 처음의 빗과 유사하나, 제 2 암 내의 다른 빗은 이동식 미러에 의해 도플러-편이(Doppler-shifted)된다. 단일 검출기에 기록된 간섭 무늬는 2v/c와 같은 값을 갖는 광학 주파수 다운-변환 팩터로부터 얻어지며, 여기서 v는 이동식 미러의 속도이고 c는 빛의 속도이다. 일반적으로, 광학 주파수 다운-변환 팩터 2v/c는 적외선 시그너쳐(signatures)를 가청 주파수 범위(약 10 kHz)로 이동시킨다. 이동식 미러 간섭계에 대한 지식에 도달되는 가장 중요한 다운-변환 팩터는 광학 시그너쳐를 1 MHz 범위로 편이시켰지만(P. R. Griffiths, B. L. Hirsche, C. J. Manning의 Ultra-rapid-scanning Fourier transform infrared spectrometry, Vib. Spectrosc. 19, 165 (1999)), 스펙트럼 분해능(spectral resolution)은 크게 제한되었다. 광원의 빗 구조가 분광기에 의해 분석되는 경우, 분석된 빗의 라인은 스펙트럼의 파수 스케일(wavenumber scale)의 자가-보정(self-calibration)을 위해 사용될 수 있다. 주파수 빗 광원을 갖지 않는 종래의 FTS에서는 파수 스케일의 정확도가 대부분 두 개의 서로 다른 광학 경로 사이를 항상 벗어나 단색 기준(monochromatic reference) 및 분석된 소스가 기록되는 약간의 잘못된 조정에 의해 제한되므로, 위와 같은 점은 중요한 효과를 갖는다. 주파수 빗 광원을 갖지 않는 종래의 FTS에서는, 정확한 측정이 요구되는 경우, 내부 분자 파수 기준을 제공하는 샘플들이 분석되는 소스의 경로 상에 배치되어야 하였고, 실험 도중 동시에 기록된다. 본 발명에 따르면, 1C-FTS를 사용함으로써, 분석되는 경우, 빗 소스에 의해 제공되는 정확한 주파수 마커가 전체 스펙트럼에 걸쳐 사용가능하다. 본 발명의 이러한 제 1 실시예는, 주파수 빗 소스의 높은 밝기로 인해, 종래의 FTS에서의 SNR(signal to noise ratio) 또는 기록 시간을 개선시키도록 매우 단순한 방식을 취한다. 본 발명의 우수한 효과는 주파수 빗에 의해 주입되는 고 피네스 캐비티(high finesse cavity)를 사용하는 것과 달리, 감도와 스펙트럼 확장 간에 트레이드-오프가 일어나지 않아도 된다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 분광기(1)가 이제 도 3을 참조로 기술된다. 분광기(1)는 주파수 빗 광원을 사용하는 푸리에 변환 분광학(1C-FTS)을 위해 사용된다. 1C-FTS는 관심있는 샘플의 흡수를 조사하기 위해 주파수 빗(2)을 사용한다. 샘플은 멀티패스 셀(multipass cell) 또는 고 피네스 캐비티 내에 배치될 수 있다. 샘플과 상호작용 후, 광은 획득 시스템(5)에 연결된 푸리에 변환 간섭계(4)에 의해 분석된다. 획득되는 간섭 무늬는 스펙트럼을 제공하도록 푸리에 변환된다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 주파수 빗의 주기적인 구조로 인해, 보다 높은 다운-변환된 주파수에서 간섭 신호를 제공할 수 있게 되었으며, 상기 간섭 신호는 주파수 빗 반복률(도 4의 예에서 140 MHz)에서 캐리어를 갖는다. 나아가, 이러한 캐리어 변조 주파수는 이동식 미러의 속도에 관련되지 않는다. 도 4의 첫 번째 열(row)은 검출기 상에서 간섭하는 두 개의 빗을 나타낸다. 오직 네 개의 레이저 라인들만이 두 번째 열에 선택되어 140 MHz 간격을 갖는 두 쌍의 이웃 라인들을 도시한다. 이동식 미러에 의해 생성된 도플러-편이로 인한 종래의 다운-변환된 음성 신호(도 4의 예에서 10 kHz)는 각 쌍의 라인들의 간섭 시그너쳐이다. 이 신호는 주파수에 의존하며; 다른 말로, 각 쌍의 라인들 간의 거리는 주파수에 대하여 선형적으로 변화한다. 다른 한편, 각 쌍의 라인들 간의 거리는 동일한 주파수 변화를 갖지만, 일정한 140 MHz 주파수로 편이된다. 따라서, 주파수 빗 반복률에서 두 쌍들의 네 개의 라인들 간의 비팅 시그너쳐(beating signature)의 동기화된 검출이 가능하다. 광학 다운-변환 팩터는 무선주파수 범위에서 편이되며, 이는 검출 주파수를 10⁴만큼 개선시킨다. 간섭 무늬의 기술적인 노이즈가 잠재적으로 감소되는 것뿐만 아니라, 스펙트럼 특징의 흡수 및 분산은 동일한 고해상도 기록 시퀀스 내에서 동시에 측정된다. 이러한 제 2 실시예는 제 1 실시예에 기술된 다른 모든 장점을 유지한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 감도를 향상시키기 위해, 샘플은 멀티패스 셀 또는 고 피네스 캐비티(6) 내에 배치될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 광원이 빗 구조를 가짐에 따라, 빗 주파수 비율에서의 락-인 검출(lock-in detection)이 락-인 장치(7)를 사용하여 수행될 수 있다. 빗 구조는 광원에 고유할 수 있거나, EOM과 같은 외부 변조기를 사용하여 생성될 수 있다.

제 2 실시예의 특정 예에 따르면, 원리를 증명하는 스펙트럼이, 빠른 InGaAs 검출기가 장착된 Connes 타입의 두 개의 출력을 출력하는 스테핑-모드(stepping-mode) 간섭계를 사용하여 기록된다. 레이저 주파수 빗 소스는 1.5 μm 영역 내에서 약 50 mW 평균 출력 파워를 갖는 약 40 fs의 펄스를 생성한다. 주파수는 140 MHz이다. 캐비티는 1064 nm Nd:YVO4 레이저에 의해 펌핑되는 Cr4+:YAG 크리스탈, 모드-잠금을 위한 반도체 포화가능한 흡수기 미러, 및 분산 보상을 위한 처핑된(chirped) 미러를 포함한다. 상용화된 락-인 증폭기는 동기화된 검출을 수행한다. 데이터 저장 및 계산은 퍼스널 컴퓨터에서 수행된다. C₂H₂의 광대역 흡수 및 분산 스펙트럼은 Cr^{4 +}:YAG 주파수 빗의 반복률에서의 동기화된 rf 검출로부터 얻어진다. 도 6은 흡수 스펙트럼을 도시한다. 본 발명의 이러한 특정 실시예에 따른 실험과 계산된 흡수 및 분산 스펙트럼들 간의 좋은 비교가 도 7에 주어진다. SNR은 간섭 측정 신호의 부적절한 전자 검출 체인(electronic detection chain) 및 손수 만든 펨토초 발진기의 노이즈가 많은 동작 중 다수의 잘 알려진 제한 팩터로 인해, 기대한 것보다 더 작은 값을 갖는다. 이러한 제한은 상용화된 락-인 증폭기의 제한된 동적 범위로부터만 나오는 것이다. 이는 현재 SNR 및 기록된 스펙트럼의 해상도를 악화시킨다. 제대로 테스팅된 방법론적인 솔루션을 기반으로 한 전용 전자장치의 발전은 이러한 제한을 쉽게 극복할 수 있다. 이러한 설명은 정확한 흡수 및 분산 프로파일을 고해상도로 신속하고 민감하게 측정하기 위해 만들어진 본 발명에 따른 방법의 가능성을 지시한다.

피코초 또는 나노초의 모드-잠금에 의해 시딩된(seeded)매우 비선형적인 섬유에 의해 생성되는 초연속체가 본 발명의 구현을 위해 사용될 수 있다. 펄스-대-펄스의 위상 슬립(phase slip)에 대한 노이즈에 의존하여, 주파수 빗은 이러한 소스로부터 달성되거나 달성되지 않을 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 소스 반복률을 실시간으로 검출하기에 충분하거나 단순하게 펄스 반복률을 고정시기키 충분하다. 그리고 나서, 간섭 무늬의 무선주파수 검출은 외부 변조기의 도움으로 수행되거나 이를 사용하지 않고 수행될 수 있다. 전술한 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 소스의 빗 구조는 빗 레이트(comb rate)의 배수에서 위상-감지식 무선주파수 검출을 직접 수행할 수 있게 된다.

주파수 빗 광원을 갖는 FTS에 의해 주어진 예상된 민감도는 레이저 밝기, 도플러로 제한된 해삿ㅇ도, 캐비티 향상 및 고주파수 변조 검출의 장점이 결합되어 얻어진다. 추가적으로, 스펙트럼 시그너쳐가 강한 적외선 도메인에서의 동작은 민감도 레벨을 향상시키는데 기여할 것이다. 레이저 밝기의 효과로, 해상도 및 적외선 동작이 상기 방법에 포함되며, 본 명세서에서는 흡수 경로 길이를 증가시키고 고주파수 변조를 구현하는 방법을 설명한다.

길이가 긴 동등한 흡수 경로는 분석될 샘플이 도 5에 도시된 바와 같이 삽입되는 멀티패스 셀 또는 고 피네스 캐비티에 의해 획득된다.

조정가능한 레이저 분광학에서, 고 피네스 캐비티는 캐비티가 향상된 분광학 또는 캐비티 링-다운(ring-down) 분광학에 의해 높은 민감도에 도달하는 가장 효율적인 방법 중 하나였다. 모드-잠금 레이저를 고 피네스 캐비티에 결합시키는 다수의 시도가 보고되었으며, 예를 들어, Gohle 등의 "Frequency comb Vernier spectroscopy for broadband, high resolution, high-sensitivity absorption and dispersion spectra", Physical Review Letter vol 99, nb. 263902 (2007)에 개시된다. 캐비티에 효율적으로 결합시키는 것을 보장하기 위해, 펄스 트레인을 만드는 모든 주파수 성분들은 대응하는 캐비티 모드와 공진하도록 조정된다. 저-손실, 확산-관리식(dispersion-managed) 광대역의 미러 특성을 결합시키는 것이 주된 어려움이다. 광대역에 걸쳐, Ti:Sa 주파수 빗이 최근에 100 nm를 가로질러 고 피네스 캐비티(F는 약 5000)에 간섭적으로 결합되었으며, 이러한 실험은 특별한 미러 설계를 요구하므로 복잡하다. 이들은 스펙트럼 대역폭이 제한된다. 옥타브에 걸쳐 위치한 빗을 수천 개의 정교한 캐비티에 매칭시키는 것은 현재에는 기술적인 이유로 인해 정교한 작업이다. 그에 의한 스펙트럼 대역폭의 심각한 제한은 분산형 분광기에 대한 것이 아닌 경우, 푸리에 분광계에 대한 극단적인 제한을 유발할 수 있다.

대안적인 접근방법이 구현될 수 있다. 이는 분산이 스펙트럼 대역폭의 필터링으로서 기능을 갖지 않는다는 장점이 있다. 광대역 레이저는 초단 펄스(ultra short pulses)를 위한 광대역 유전체 코팅으로 만들어진 미러를 장착한 멀티패스 셀에 결합된다. White 타입 설계, Herriott 타입 설계 또는 Robert 타입 설계가 다른 것들 중에서 적합하다. 레이저 빔의 높은 출력 파워(10 mW보다 큰 파워) 및 작은 에텐듀(endue)로 인해, 반사 계수에 대한 99%의 비관적인 값을 사용하여, 500 m 내지 1 km의 경로 길이가 2 m 기반의 셀로부터 실현 가능하다. 이는 약 10³만큼의 민감도 개선 효과를 가져온다. 필요한 경우, 분산에 대한 보상이 셀의 출력에서 수행될 것이다.

주파수 빗의 구조의 장점을 갖는 본 발명에 따른 원 검출 기술로 인해 낮은 노이즈 레벨이 달성된다.

노이즈가 많은 배경으로부터 약한 신호를 추출하기 위해, 변조 기술이 이상적인 도구 중 하나로 인식된다. 기술적인 노이즈가 상대적으로 약한 주파수 영역으로 작은 공진 정보가 인코딩된다. 다양한 기법들이 빠른 연속(rapid succession)에서 공진이 있는 경우와 공진이 없는 경우를 비교할 수 있게 한다. 공진이 없는 경우, 이어지는 복조는 출력이 없는 신호 채널을 생성한다. 가장 성공적인 변조 기술 중 하나는 Bjorklund의 "Frequency-modulation spectroscopyL a technique for measuring weak absorptions and dispersions", Optics Letters vol.5 페이지 15 내지 17 (1980)에 기술된 바와 같은 소위 FM(Frequency Modulation) 분광학이다. 그 신속하고 민감한 검출 능력은 이 기술을 비선형적인 레이저 분광학에서 매우 유명하게 만들어주었다. 그 높은 민감도는 주로 MHz 또는 GHz 주파수 영역의 높은 변조 주파수에 기인하며, 상기 주파수 영역에서는 일반적으로 레이저원의 진폭 노이즈 레벨이 샷-노이즈(shot-noise) 한계에 접근한다. 이러한 고주파수 변조는 주입 전류를 다이오드 레이저로 변조하거나 외부 위상 변조기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 지금까지, FM 분광학은 조정가능한 분광학 방법이기만 하였다. 대부분의 기법에서, 레이저 파장은 라인 형상을 얻기 위해 원자/분자 공진을 가로질러 스캐닝되었다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 고주파수 변조를 기반으로 한 민감도, 해상도 및 넓은 스펙트럼 대역폭을 제공하는 새로운 분광 분석을 제공한다. FTS의 주된 장점 중 하나는 즉시 확장되는 스펙트럼 범위를 기록하고 적외선 도메인에 대한 용이한 접근을 제공하는 실험적인 기능이다. 높은 민감도를 달성하기 위해, 간섭 무늬를 변조하는 새로운 방법이 종래의 스테핑-모드(stepping-mode) 간섭계에 사용되어왔으며, 예를 들어, Mandon 등의 "Frequency Modulation Fourier Transform Spectroscopy: a broadband method for measuring weak absorptions and dispersions", Optics Letters vol 32, 페이지 2206 내지 2208 (2007)에 기재된 바와 같다. 주된 컨셉은 rf 변조가 수행된다는 것이다. 스펙트럼 특징과 관련된 흡수 및 분산 둘 모두가 동시에 측정된다.

주파수 빗 생성기 광원 실험을 사용하는 FTS의 경우, 푸리에 변환 분광계의 출력 포트에서의 비트 신호는 일정한 무선 주파수로 변조되며, 상기 무선 주파수는 간섭계의 광학 변환에 의해 생성되는 오디오 주파수보다 약 10⁴배만큼 더 높다. 이는 동기적으로 검출될 수 있다. 민감도는 변조 주파수에 비례하여 증가한다.

빗 구조는 소스로부터 직접적으로 사용가능할 수 있거나, 외부 변조기에 의해 생성될 수 있다. 펄스-대-펄스 위상 슬립(phase slip)에 대한 노이즈에 따라, '실제' 주파수 빗은 소스로부터 달성되거나 달성되지 않을 수 있다. 그러나, 이는 락-인에 직접 공급되는 소스 반복률을 실시간으로 검출하기에 충분하거나 또는 이러한 실험을 위한 펄스 반복률을 단순히 고정시키기에 충분하다.

1C-FTS로 인해 새롭게 도달가능한 방법론 중 일부의 1C-FTS를 사용한 구현을 위한 기법이 이제 설명된다.

상기 구현의 제 1 양태는 선택적인 분광학에 관한 것이다.

먼저, 속도 변조가 분자 이온의 과도(transitions)을 선택적으로 검출하도록 의도된다. 대부분의 조정가능한 레이저 또는 종래의 FTS 구성에서, 방전(discharge) 내부의 AC 전기장은 방전 주파수에서의 이온의 네트 드리프트 속도(net drift velocity)를 변경한다. 이는 이온의 전이 주파수의 동기적인 도플러 편이를 유발하는 반면, 중성 종(neutral species)은 편이되지 않은 채 유지된다. 따라서, AC 변조에서 동기적인 검출은 중성 시그너쳐를 제거한다.

1C-FTS의 경우, 상이한 기법이 구현될 수 있다. 여기에서는 오직 두 개만 설명된다. 이들의 임의의 조합이 사용될 수도 있다.

첫 번째는 도 8에 도시된 바와 같이 DC 방전을 사용한다. 레이저 주파수 빗 생성기 소스는 두 개의 카운터 진행 빔으로 분할될 수 있으며, 하나는 적색-편이(red-shift)를 위한 것이고 다른 하나는 청색을 위한 것이며, 이는 두 개의 입력, 두 개의 출력을 갖는 간섭계(9)를 사용하여 분석된다. 도 8에 도시된 바와 같은 차동 검출 또는 후처리에 의해 수행될 수 있는 간섭계의 출력 1과 출력 2에서 측정되는 두 개의 최종 간섭 무늬들 간의 차이는 선택적인 정보를 제공한다. 간섭 무늬 대신 스펙트럼의 차이를 만드는 것 또한 적절하다.

도 9에 도시된 바와 같이, 두 번째는 방전 변조의 주파수율에서의 동기적인 검출에 의해 복원되는 간섭 무늬를 획득하기 위해 AC 변조된 방전(10)을 사용한다.

두 번째로, 제만(Zeeman) 분광학에서는 일반적으로, 소스와 상호작용하는 자기장이 주기적으로 변경된다. 그리고 나서, 동기적인 검출 또는 차동 검출 후, 자기장에 의해 주파수 편이된 과도만이 검출될 것이다. 그러나, 제만 분할의 대칭성을 고려해야하며: B_C + B_M 과 B_C - B_M 간의 장(field)을 변조해야하며, 여기서 B_C 및 B_M은 자기장의 두 상수값이다. B_C 는 B_M과 동일할 수 있으나, 0이 될 수는 없으며, 0이 되는 경우에는 신호 변화가 검출되지 않을 것이다.

1C-FTS를 사용하여, 자기장을 변조하거나(도 10에 도시된 바와 같음) 또는 빗 빔(comb beam)을 두 개의 빔으로 분할할 수 있으며(도 11에 도시된 바와 같음), 두 개의 입력을 갖는 간섭계를 사용한 차동 검출을 위해 상기 두 개의 빔 중 하나는 일정한 자기장 B_C + B_M으로 셀을 조사하고, 다른 하나는 일정한 자기장 B_C - B_M으로 셀을 조사한다.

제만 분광학과 유사하게, 스타크(Stark) 효과에 민감한 전이를 선택적으로 검출하기 위해 전기장이 가해지고 변조될 수 있다.

세 번째로, 편광 변조(polarization modulation)가 선택적으로 편광-감지성 전이를 검출하기 위해 사용된다. 이는 선형(s와 p 편광 간의 비교) 또는 진동 원형 이색성(왼쪽 그리고 오른쪽으로 원형으로 편광된 복사의 비교)으로도 불린다. 연구 주제의 일부 예는 키랄 분자(chiral molecules) 또는 얇은 고체 필름, 액정 또는 상자성 종(paramagnetic species)으로부터의 제만 전이 내의 분자의 배향이다. 두 개의 편광 상태에 의한 복사의 흡수 간의 차는 대부분 극히 작다. 빠른 연속으로, 두 개의 서로 다른 상태로 편광된 광을 사용하여 샘플의 상호작용으로부터 유발된 스펙트럼을 비교하는 것이 아이디어이다.

1C-FTS를 사용하여, 상이한 기법이 구현될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 빗 빔에 대하여 편광 변조기(11)를 사용하고, 빠른 연속으로 주어진 편광을 갖는 하나의 간섭 무늬 및 다른 편광을 갖는 일 초를 측정하고, 동기적인 검출 또는 후처리에 의해 이들을 빼는 것이 가능하다. 도 13에 도시된 바와 같이, 빗 빔을 두 개의 빔으로 분할하는 것이 가능하며, 상호 보완적인 편광(12 및 13)을 사용하여 직접적인 차동 검출을 수행할 수도 있다.

네 번째로, 짧은 수명의 종을 선택적으로 검출하기 위해 집중 변조(concentration modulation)가 유용하다. 1C-FTS를 사용하여, 주파수 빗 생성기는 주어진 주파수에서 사인파로 변조되는 분자 소스(일반적으로 방전)을 조사한다. 분자 소스의 출력에서의 빔은 본 발명에 따른 간섭계에 의해 분석된다. 간섭 무늬의 스펙트럼은 두 배의 주파수에서 검출되어, 모든 안정한 종의 전이(방전 소스에 의해 변조되지 않은 강도를 가짐)가 제거된다. 검출의 위상을 조절함으로써, 추가적으로 소스의 시간 거동에 대한 정보를 얻을 수 있다.

전술한 다수의 검출 기법으로부터의 효과를 하나의 실험에서 동시에 얻을 수 있다.

이러한 실시예의 제 2 양태는 시간-분석 응용에 관한 것이다.

종래의 분광학에서, 시간-분석 FTS는 FTS의 모든 잘 알려진 장점들, 특히 넓은 스펙트럼 관찰 범위를 가지면서, 동적인 현상을 조사하기 위한 강력한 툴이다. 이는 모든 광학 경로차 지점에서, 관찰되는 소스의 진전(evolution)의 타임 샘플링을 수행하는 단계로 구성된다. 실험의 끝에서, 소스의 진전의 타임 샘플의 수만큼의 간섭 무늬가 획득되고 스펙트럼을 제공하도록 변환되며, 각각의 스펙트럼은 주어진 시간에서 광원의 특징을 기술한다.

유사하게, 개선된 동적인 연구를 위해 시간-분석되는 1C-FTS를 개발할 수 있다. 다양한 기법들이 간섭계의 타입과 관찰하는 시간-분석에 따라 구현될 수 있다.

스테핑 모드의 간섭계를 사용하여, 임의의 종류의 시간 분석이 획득될 수 있다. 신속한-스캔 간섭계를 사용하여, 성공적으로 구현된 문헌에서 사용가능한 동기화 기법이 사용될 수 있다. 펨토초 주파수 빗, 초연속체 소스 또는 모드-잠금 레이저와 같은 펄스화된 레이저원을 사용하는 경우 펌프-조사 실험(pump-probe experiments)이 또한 실현 가능하다.

시간-분석된 스펙트럼 또는 변조된 스펙트럼의 상관관계 분석이 수행될 수도 있다.

이러한 구현의 세 번째 양태는 반사 분광학에 관한 것이다.

샘플에 의해 투과된 광을 관찰하는 대신, 1C-FTS를 사용하여 샘플에 의해 반사된 광을 관찰하는 것이 가능하다. 반사는 난반사 또는 정반사일 수 있다. 샘플은 벌크 물질, 평평한 반사면에 제공된 물질층(레이저 복사의 파장보다 더 얇거나 두꺼움)일 수 있다.

나아가, 감쇠된 전반사는 매우 용이한 샘플 준비로 액체 또는 고체 상태의 샘플을 조사할 수 있게 한다. 조사용 광 빔은 샘플과 직접 접촉하여 내부면 상에서 적어도 한 번은 반사하는 방식으로 잘 선택된 크리스탈을 통과한다. 이러한 반사는 일반적으로 몇 마이크로미터만큼 샘플로 확장되는 소산파(evanescent wave)를 형성한다. 각각의 소산파로부터 감쇠된 에너지는 광 빔으로 다시 전달되고, 그리고 나서 크리스탈에 의해 투과된 빔은 크리스탈을 빠져나감에 따라 FT 분광계에 의해 수집된다.

감쇠된 전반사 1C-FTS는 크리스탈/샘플 어셈블리를 조사하는 레이저 빔으로 용이하게 구현될 수 있다.

본 발명은 이하 기술되는 바와 같이 공간적으로 분석되는 측정에 맞춰 구성될 수도 있다.

첫 번째로, 레이저 빔의 단면이 작을 수 있으므로, 육안으로 보이는 샘플의 작은 공간 영역을 선택적으로 조사할 수 있다.

두 번째로, 샘플의 구성을 매핑시키는 효율적인 방법은 어레이 검출기를 사용하여 동시에 모든 FT 스펙트럼들을 측정하는 것이다. 이미지이ㅡ 각 지점으로부터의 스펙트럼을 동시에 측정하는 것은 초분광 이미징(hyperspectral imaging)으로 불리며, 획득된 스펙트럼의 어레이는 하이퍼큐브(hypercube)이다.

1C-FTS를 사용하여, 간섭계의 출력에서 어레이 검출기 상의 오브젝트의 이미지를 획득하는 것이 유사하게 가능하다.

세 번째로, 1C-FTS를 사용한 현미경 검사는 푸리에 변환 분광학을 사용하는 현미경 검사와 레이저 소스를 사용한 현미경 검사의 장점을 모두 가져온다. 공간 해상도의 증가가 정확한 스펙트럼 진단과 함께 예상된다.

네 번째로, 레이저 빔의 낮은 발산성(divergence) 및 높은 강도로 인해, 1C-FTS는 긴 컬럼의 샘플을 조사할 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔은 관심있는 샘플에 도달하기 전에 긴 거리를 진행할 수 있다.

LIDAR 타입의 1C-FTS 실험이 구현될 수도 있다: 여기서, 매우 넓은 광대역 레이저로부터 샘플-산란된 광이 수집되고 분석될 수 있다.

본 발명의 다음과 같은 양태가 또한 고려되어야 한다.

비선형 프로세스(예를 들어, 차주파수(difference frequency) 및 합주파수(sum frequency)의 생성, 파라미터 상호작용, 광학적 정류, 조화파 생성 등)의 도움으로, 현재에는 접근하기 어려운 공간 영역, 예를 들어 THz 또는 VUV 영역에서의 1C-FTS를 개발할 수 있다. 또한, 검출 기법을 위해 역 비선형 프로세스를 사용할 수도 있으며, 즉 광을 민감한 검출기가 사용가능한 영역으로 재변환할 수 있다.

나아가, 1C-FTS는 다양한 매질, 예컨대 플라즈마, 주변 공기, 산업 생산라인, 누수 검출, 유해가스 검출 등을 진단하기 위한 도구로도 예상된다. 광 분광학의 종래의 모든 퀄리티들: 원 위치(in situ), 지역 또는 원격 동작, 비침입 진단, 정량적 측정 등이 보존된다.

광자 검출기는 단순한 광검출기(광다이오드, 볼로미터, 안테나) 또는 광검출기에 결합된 비선형 주파수 변환기, 예컨대 주파수 배가 장치(frequency doubling device)로 구성될 수 있다. 광자 검출기는 마이크 또는 높은 Q를 갖는 압전 크리스탈 소자, 예컨대 쿼츠 크리스탈 소리굽쇠로 대체될 수 있다.

GC(gas chromatography), HPLC(High Performance Liquid Chromatography) 또는 SFC(Supercritical Fluid Chromatography)가 1C-FTS에 결합될 수 있다.

Claims (5)

1. 간섭 광원;
   진폭 또는 파면 분할을 기반으로, 상기 간섭 광원을 두 부분으로 분리하여 상기 두 부분 간에 간섭을 생성하도록 구성되는 간섭계; 및
   상기 간섭을 검출하도록 구성되는 검출 수단을 포함하며,
   상기 간섭 광원은 정의된 주파수 반복률을 갖는 주파수 빗 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 분광기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 검출 수단은, 상기 주파수 반복률 또는 상기 주파수 반복률의 배수에 의해 분리된 주파수 빗의 주파수 쌍들의 비팅(beating)을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 분광기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 간섭계는 마이켈슨(Michelson) 간섭계인 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 분광기.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   분광기에 의해 분석될 샘플을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 멀티패스 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 분광기.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   분광기에 의해 분석될 샘플을 수용하도록 구성된 적어도 하나의 고 피네스 캐비티(high finesse cavity)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 분광기.

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