KR20110039808A - 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치 - Google Patents

광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기장의 변화가 라디오파 발진기의 발진주파수 변화를 가져오도록 함으로써 자기장 측정의 정밀도와 정확도 및 편리성을 개선한 광학적 자기장 측정 장치로서, 보다 구체적으로는 광전자발진기 내에 위치한 파라데이 결정을 통과하는 광선 쌍이 자기장에 비례하는 위상차를 갖고, 그 위상차가 광전자 발진기의 발진주파수에 변화를 일으키도록 고안된 장치이다.
본 발명에 의할 경우 자기장의 변화가 가장 측정하기 쉬운 물리량인 주파수의 변화를 가져오기 때문에 자기장 측정의 정밀도와 편리성을 개선할 수 있으며, 광학적 현상을 이용함으로써 광섬유와 결합할 경우 기존의 자기장 검색장치가 접근하기 어려운 지점까지 쉽게 접근할 수 있다. 파라데이 결정의 표면처리를 통해서 패브리-페로 공진기를 구성할 경우 측정의 정밀도를 한 단계 더 개선할 수 있다.
자기장 측정, 광전자 발진기, 파라데이 효과

Description

광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치{Magnetometer using an opto-electronic oscillator}
본 발명은 자기장의 변화가 라디오파 발진기의 발진주파수 변화를 가져오도록 함으로써 자기장 측정의 정밀도와 정확도 및 편리성을 개선한 광학적 자기장 측정 장치로서, 보다 구체적으로는 광전자발진기 내에 위치한 파라데이 결정을 통과하는 광선 쌍이 자기장에 비례하는 위상차를 갖고, 그 위상차가 광전자 발진기의 발진주파수에 변화를 일으키도록 고안된 장치이다.
자기장은 자연과학과 공학에서 연구되고 이용되는 기본적인 물리량으로 여러 다양한 상황에서 이의 측정이 요구된다. 예를 들어 핵의학에서의 핵자기공명을 이용한 영상장치(magnetic resonance imaging)에서는 매우 강력하면서 공간적으로 그 세기가 잘 정의된 자기장을 필요로 하며, 정보통신 분야에서는 자기현상을 이용한 다양한 기억소자가 이용되고 있다.
통상적으로 자기장을 측정하기 위해서는 물리학에서는 원자의 제만효과를 이 용한 초정밀 측정장치가 이용되며, 공학에서는 홀 효과를 이용한 홀 프로우브가 주로 이용된다. 전자의 경우 그 측정의 정밀도는 매우 뛰어나지만 그 이용을 위해서는 실험실 수준의 복잡한 장치와 절차가 요구되고, 후자의 경우 홀 프로우브를 위치시킬 수 있는 환경적 제약이 있다.
한편, 최근 개발된 광전자발진기(opto-electronic oscillator)는 변조된 레이저 광선의 맥놀이 주파수로 발진하는 장치로서, 반송파와 곁띠가 겪는 광학적 경로차에 따라 그 발진 주파수가 이동하는 특성을 가지고 있다. 라디오파에서부터 마이크로파까지 넓은 대역에서 작동이 가능하며, 광통신분야의 레이저와 변조기 및 광검색기 기술의 발달로 그 성능이 꾸준히 개선되고 있다. 특히 다양한 물리적 특성을 갖는 광섬유 형태의 센서가 개발되면서 광전자발진기와 이들 센서를 결합한 광학적 원리에 근거한 새로운 형태의 검색장치의 개발이 가능해 졌다. 본 발명은 자기장 센서와 광전자발진기를 결합한 자기장 검색장치에 관한 것이다.
본 발명은 광학적 원리에 근거한 새로운 형태의 자기장 측정 장치로서, 광전자발진기와 자기장에 의한 편광변화 효과를 주는 파라데이 결정을 결합해서 자기장의 변화가 발진주파수의 변화를 주는 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하고자 본 발명은, 반송파 역할을 하는 광선을 제공하는 레이저와, 상기 광선을 라디오파 진동수로 변조해서 곁띠를 실어주는 변조기와, 상기 반송파와 곁띠 성분을 서로 수직으로 편광되도록 해 주는 수직편광기와, 이들을 원형편광으로 만들어 주는 4분의 1 파장판과, 자기장의 세기에 따라 이들 광선에 위상차를 주는 파라데이 결정과, 결정을 통과한 광선을 결합하기 위한 선형편광기와, 선형편광기를 통과한 광선을 검색하는 광검색기와, 상기 광검색기의 출력을 증폭하여 상기 변조기로 되먹임하는 회로와, 상기 증폭된 신호 중 일부를 취해서 그 주파수를 측정하는 주파수 검색기로 구성됨을 특징으로 하는 자기장 측정 장치를 제시한다.
본 발명에 따를 경우, 자기장의 변화를 가장 측정하기 쉬운 물리량인 주파수 변화로 읽어 낼 수 있으며, 광학적 원리에 근거했기 때문에 광섬유를 이용해서 광 선을 전달할 수 있는 모든 환경에서 자기장의 측정이 가능하다.
또한, 파라데이 결정의 표면처리를 통해서 패브리-페로 공진기를 구성할 경우 측정의 정밀도를 한 단계 더 개선할 수 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 고안의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명은 서로 반대로 원형편광되어 있는 두 광선이 파라데이 결정을 지나는 동안 자기장에 비례하는 위상차를 겪는다는 파라데이 효과를 이용한다. 이때 파라데이 결정을 광전자발진기 내에 위치시킴으로써 자기장에 비례하는 위상차가 광전자발진기의 발진주파수에 변화를 주도록 할 수 있다.
이하에서 본 발명의 구성을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도2에서는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명인 자기장 측정 장치(100)는 반송파 역할을 하는 광선을 제공하는 레이저(110)와, 상기 광선을 라디오파 진동수로 변조해서 곁띠(sideband)를 실어주는 변조기(120)와, 상기 변조된 광선의 반송파와 곁띠 성분을 서로 수직으로 편광되도록 해 주는 수직편광기(130)와, 이들을 원형편광으로 만들어 주는 4분이 1 파장판(140)과, 자기장의 세기에 따라 이들 광선에 서로 다른 위상차를 주는 파라데이 결정(150)과, 결정을 통과한 광선을 결합하기 위한 선형편광기(160)와, 선형편광기를 통과한 광선을 검색하는 광검색기(170)와, 상기 광검색 기의 출력을 증폭하는 증폭기(180)와, 증폭된 신호 중 일부를 상기 변조기(120)로 되먹임하는 회로와, 상기 증폭된 신호 중 일부를 취해서 그 주파수를 측정하는 주파수 검색기(190)로 구성된다.
한편, 트랜스포머의 내부처럼 종래의 홀 프로우브를 직접 설치하기 어려운 곳과 같이 접근이 어려운 영역의 자기장을 측정하기 위해서는 상기한 변조기(120)와 수직편광기(130)를 통과한 서로 수직으로 편광된 광선이 편광을 유지하는 상태로 상기한 4분의 1 파장판(140)과 파라데이 결정(150)으로 전달될 수 있도록 할 필요성이 있다. 이는 상기한 수직편광기(130)와 4분의 1 파장판(140)사이에 유연성을 갖는 광섬유를 더 포함하여 구성됨으로써 해결될 수 있다.
또한, 4분의 1 편광기와 파라데이 결정, 그리고 선형편광기는 일체형으로 제작되면 광전자발진기의 안정적인 작동에 도움이 된다.
또한, 상기 파라데이 결정(150)의 앞면과 뒷면에 적절한 광학적 코팅을 해 줌으로써, 패브리-페로 형태의 공진기를 구성하면 광선이 파라데이 결정을 여러 번 왕복하면서, 자기장 측정장치의 감도를 증가시킬 수 있다. 즉, 파라데이 결정(150)의 앞면과 뒷면에 각각 광학적 코팅을 하되, 코팅의 투과도는 파라데이 결정의 크기 등에 따라 결정되며, 이 경우 0.7 내지 3% 정도의 투과도를 갖는 코팅이 가능하나 바람직하게는 1%의 투과도를 갖는 코팅이 적절하다. 1%의 투과도를 갖는 코팅 을 통해 파라데이 결정에 입사한 광선이 약 100번 정도 결정을 왕복한 후 뒷면으로 출력된다. 100번의 왕복과정에서 위상차가 200 배 누적되므로, 본 발명에 의한 자기장 측정의 감도 또한 200배 정도 개선된다.
또한, 상기한 파라데이 결정(150)은 터븀 갈륨 가넷(turbium galium garnet: TGG)를 이용함이 바람직하며, 이에 대하여는 기존의 결정보다 버뎃 상수가 획기적으로 증대된 결정의 개발이 가능할 것으로 예상되고 그 결과 본 발명의 측정 감도도 함께 개선될 수 있다. 한편, 본 발명의 경우 파라데이 결정(150)의 길이가 10 cm이며, 자기장의 크기가 10-4 Tesla이며, 광전자 발진기의 총 길이가 1 m인 경우를 고려하였다. 이 경우 TGG의 버뎃 상수는 1.34 radian/T·cm이므로 수학식 10에 의해서 광전자 발진기의 주파수 이동은 1.3 kHz이다. 이는 광전자 발진기의 일반적인 주파수 안정도를 고려할 때에 쉽게 측정할 수 있는 정도의 주파수 이동이다.
한편, 상기한 수직편광기(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 변조기를 통해 중첩되어 입사하는 광선쌍의 편광을 조절하는 2분의 1 파장판(HWP:half waveplate)(131);과 상기 2분의 1 파장판을 통과한 광선을 그 편광상태에 따라 서로 수직한 경로로 나누어주는 광분할기(PBS: polarizing beam splitter)(132);와, 상기 광분할기(132)에서 2개의 경로로 분할된 광선 각각이 진행하는 경로상에 위치하는 4분의 1 파장판1(QWP1)(133) 및 거울1(M1)(134);과 4분의 1 파장판 2(QWP2)(135) 및 거울 2(M2)(136)로 구성된다. 상기한 4분의 1 파장판1(QWP1)(133) 및 거울1(M1)(134);과 4분의 1 파장판2(QWP2)(135) 및 거울 2(M2)(136)의 경우 광분할기에서 분할되어 각각의 경로를 따라 입사된 광선의 편광이 반사과정에서 광분할기에 도달해 화살표로 표시한 오른쪽의 한 방향으로 출력되도록 한다.
한편, 상기한 광분할기(132)와 4분의 1 파장판(QWP2)(135) 사이의 공간에는 간섭계의 안정성을 확보하기 위한 조치로써 유리(137)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 광분할기(132)와 4분의 1 파장판1(QWP1)(133) 및 거울1(M1)(134)의 경우 그 광학적 안정성확보와 일정한 경로차 유지를 위해 광학적 접착을 통해 일체로 형성됨이 바람직하며, 상기한 광분할기(132)와 4분의 1 파장판2(QWP2)(135) 및 광분할기(132)와 4분의 1 파장판2(QWP2)(135)사이의 공간에 간섭계의 안정성을 확보하기 위해 구비되는 유리(137)의 경우에도 광학적 안정성을 확보하기 위해 광학적 접착을 통해 일체로 형성되게 할 수 있다. 다만, 상기한 거울 2(M2)(136)의 경우 필요에 따라 광로차를 조절할 수 있도록 상기한 4분의 1 파장판2(QWP2)(135)와 일체로 형성하지 않고 별도의 마운트에 장착하여 소정 간격의 조절이 가능하도록 구비되는 것이 바람직하다.
광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치의 작용을 설명하기 위해서 먼저 도1에 도시된 바를 참조해서 광전자 발진기의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
레이저에서 출력된 광선은, 라디오파 주파수로 광선을 변조해서 곁띠를 실어줄 수 있는 변조기를 통과해, 광검색기에 입사하며, 광검색기의 출력은 증폭기에 의해 증폭되어 변조기로 되먹임된다. 다음의 두 가지 조건이 만족되면, 이 장치는 스스로 라디오파 대역의 일정 주파수 F 로 발진한다.
(i) 변조기에서 출발해서, 광검색기, 증폭기를 거쳐 다시 변조기로 되먹임되는 루프(loop)을 일주하는 과정에서 주파수 F 인 라디오파 출력의 순 이득(gain)이 1보다 크다.
(ii) 상기 루프를 일주하는 과정에서 주파수 F 인 라디오파의 총 위상변화가 2π의 정수배이다.
상기 두 번째 조건을 수학식으로 표현하면 아래와 같다.
[수학식 1]
Figure 112009062374072-PAT00001
(여기서 L 은 ??을 일주하는 광학적 거리, Λ는 라디오파의 파장, 그리고 m은 자연수이다.)
파장과 주파수 사이의 관계식을 이용해서, 수학식 1을 주파수 F 에 대한 식으로 표현하면 아래 수학식과 같다.
[수학식 2]
Figure 112009062374072-PAT00002
(여기서 c는 광속도이다.)
여러 자연수 m에 대해 상기 조건 (i)이 만족되는 경우, 증폭기와 변조기 사이에 대역 필터(band pass filter)를 장치함으로써, 한 주파수로만 발진하도록 할 수 있다.
이제 도2에 도시된 바를 참조해서 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
레이저(110)에서 출력된 x축 방향으로 선형 편광된 광선의 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 3]
Figure 112009062374072-PAT00003
여기서 E 0 는 광선의 진폭, k1 은 파수, 그리고 ω1은 각주파수이다.
상기 레이저(110)에서 출력된 광선이 변조기(120)을 통과하면서 광선에는 곁띠가 발생하며, 그 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 4]
Figure 112009062374072-PAT00004
여기서 E 1 과 E 2 는 각각 반송파와 곁띠의 진폭이다. k2 와 ω2 는 각각 곁띠의 파수와 각주파수이며, 변조주파수가 ωm 일 때에, ω2 = ω1 + ωm 의 관계가 있다.
상기 변조된 광선이 수직편광기(130)를 통과하면, 반송파의 편광에는 변화가 없으나 곁띠의 편광은 90도 돌아가며, 그 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 5]
Figure 112009062374072-PAT00005
상기 수직편광기(130)를 통과한 광선이 4분의 1 파장판(140)을 통과하면 그 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 6]
Figure 112009062374072-PAT00006
여기서
Figure 112009062374072-PAT00007
와
Figure 112009062374072-PAT00008
는 각각 우원편광과 좌원편광된 상태를 나타낸다.
상기 4분의 1 파장판(140)을 통과한 광선이 자기장의 영향을 받는 파라데이 결정(150)을 통과하면, 파라데이 효과에 의해서 우원편광된 성분과 좌원편광된 성분이 서로 반대부호의 위상차를 얻으며, 그 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 7]
Figure 112009062374072-PAT00009
여기서 위상차 φ 는 자기장의 z축 성분 BZ와 파라데이 결정의 길이 l 에 비례하며, 비례상수는 파라데이 결정(150)에 따라 결정되는 버뎃상수(Verdet constant)로,
Figure 112009062374072-PAT00010
이다.
상기 파라데이 결정(150)을 통과한 광선이 선형편광기(160)를 통과하면서 x 성분만 남으며, 이때의 전기장은 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 8]
Figure 112009062374072-PAT00011
상기 선형편광기(160)를 통과한 광선의 출력이 광검색기(170)에 의해서 검색되면 그 출력 신호는 다음의 수학식으로 기술된다.
[수학식 9]
Figure 112009062374072-PAT00012
여기서 V0 ,V1 는 각각 직류 및 교류 성분의 크기이다.
상기 광검색기(170)의 출력신호는 증폭기(180)에 의해서 충분한 크기로 증폭되어 원래의 변조기(120)로 되먹임되고, 그 중 일부가 취해져 주파수 검색기(190) 에 의해 광전자 발진기의 발진주파수가 측정된다.
수학식 8에 보인 바와 같이, 자기장 때문에 반송파와 곁띠 사이에 위상차 2φ가 발생했으며, 수학식 9에 보인 바와 같이 이 위상차가 맥놀이 신호에 나타난다. 광전자 발진기의 발진주파수는 수학식 1에 보인 바와 같이 발진기의 루프를 일주하는 동안의 위상차가 2π의 정수배여야 한다는 조건에 의해서 결정되며, 자기장에 의한 위상차 2φ는 자기장 BZ에 비례하는 주파수 이동을 가져온다. 주파수 이동의 크기는 다음 수학식으로 주어진다.
[수학식 10]
Figure 112009062374072-PAT00013
도 1은 광전자 발진기의 개념도.
도 2는 본 발명인 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
도 3은 본 발명의 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치의 일요소인 수직편광기의 개념도.
*도면 주요부호에 대한 간략한 설명*
110 : 레이저
120 : 변조기
130 : 수직 편광기
140 : 4분의 1 파장판
150 : 파라데이 결정
160 : 선형 편광기
170 : 광검색기
180 : 증폭기
190 : 주파수 검색기

Claims (6)

  1. 자기장 측정장치에 있어서,
    반송파 역할을 하는 광선을 제공하는 레이저(110)와, 상기 광선을 라디오파 진동수로 변조해서 곁띠(sideband)를 실어주는 변조기(120)와, 상기 변조된 광선의 반송파와 곁띠 성분을 서로 수직으로 편광되도록 해 주는 수직편광기(130)와, 이들을 원형편광으로 만들어 주는 4분이 1 파장판(140)과, 자기장의 세기에 따라 이들 광선에 서로 다른 위상차를 주는 파라데이 결정(150)과, 결정을 통과한 광선을 결 합하기 위한 선형편광기(160)와, 선형편광기를 통과한 광선을 검색하는 광검색기(170)와, 상기 광검색기의 출력을 증폭하는 증폭기(180)와, 증폭된 신호 중 일부를 상기 변조기(120)로 되먹임하는 회로와, 상기 증폭된 신호 중 일부를 취해서 그 주파수를 측정하는 주파수 검색기(190)로 구성됨을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    접근이 어려운 영역의 자기장을 측정하기 위해 상기한 변조기(120)와 수직편광기(130)를 통과한 서로 수직으로 편광된 광선이 편광을 유지하는 상태로 상기한 4분의 1 파장판(140)과 파라데이 결정(150)으로 전달될 수 있도록 상기한 수직편광기(130)와 4분의 1 파장판(140)사이에 유연성을 갖는 광섬유를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 파라데이 결정(150)의 앞면과 뒷면에 광학적 코팅을 해 줌으로써, 패브리-페로 형태의 공진기를 구성함으로써, 자기장 측정장치의 감도를 증가시킴을 을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광학적 코팅은 1%의 투과도를 갖도록 코팅됨을 을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기한 파라데이 결정(150)은 터븀 갈륨 가넷으로 구성됨을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기한 수직편광기(130)는 변조기를 통해 중첩되어 입사하는 광선쌍의 편광을 조절하는 2분의 1 파장판(HWP:half waveplate)(131);과 상기 2분의 1 파장판을 통과한 광선을 그 편광상태에 따라 서로 수직한 경로로 나누어주는 광분할기(PBS: polarizing beam splitter)(132);와, 상기 광분할기(132)에서 2개의 경로로 분할된 광선 각각이 진행하는 경로상에 위치하는 4분의 1 파장판1(QWP1)(133) 및 거울1(M1)(134);과 4분의 1 파장판2(QWP2)(135) 및 거울 2(M2)(136)로 구성됨을 특징으로 하는 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치.
KR1020090096815A 2009-10-12 2009-10-12 광전자 발진기를 이용한 자기장 측정장치 KR20110039808A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103797330A (zh) * 2011-08-16 2014-05-14 莱卡地球系统公开股份有限公司 光检测电路
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