KR20160085548A - 원격검출용 주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 제공한다. 이 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 측정 대상에 프로브 빔을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부; 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및 상기 광감지부의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 처리부를 포함한다.
Description
본 발명은 미량 기체의 원격 검출(remote detection)을 위한 레이저 분광(laser spectroscopy) 기술에 관한 것으로, 더 구체적으로 검출하고자 하는 특정 기체종 (gas species)의 공명 흡수선 주파수(resonant absorption frequency)를 중심으로 주파수 변조 (frequency modulation)되는 레이저를 이용한 고감도 흡수 분광 장치 및 측정 방법에 관한 것이다.
연료용 가스 운반선, 저장고, 배관망이나 공업용 대형 플랜트에서의 가스 누설은 대형 사고와 인명 피해의 위험이 크다. 따라서, 사고 예방과 안전한 시설 관리를 위해 가스 탱크 또는 배관의 누설 부위를 탐지하는 기술이 필요하다. 소형 시설물의 경우, 고감도 가스 센서를 근접 부위에 부착하거나 이동시키면서 가스 누설 검사를 시행할 수 있다. 그러나, 방대한 규모의 대형 구조물에서 개별 가스 센서의 설치 및 네트워크 운용이 사실상 불가능하다. 또한, 사람의 접근 및 이동 자체가 용이하지 않은 경우가 많아서 수작업 검사에 소요되는 시간 및 비용이 크게 증가하는 문제가 있다. 따라서, 검사 대상 범위가 큰 시설물에 대해서는 원격으로 가스 누설을 탐지하는 기술이 요구된다.
일반적으로 특정 파장의 레이저 광은 가스에 흡수되는 특징을 가지고 있다. 이러한 레이저 광의 특징을 이용한 레이저 수광 장치는 원거리에서도 가스의 누출 유무를 검출할 수 있다. 예를 들어 설명하면, He-Ne 레이저에 의하여 조사되는 레이저광의 3.39㎛에는 3.3922㎛(λ1)와 3.3912㎛(λ2)와 같은 두 개의 파장이 존재하며 이중 λ1은 메탄에 강하게 흡수되고, λ2는 메탄에 조금밖에 흡수되지 않는 특성이 있다. 이러한 특징을 이용한 종래 레이저 기반 원격 메탄 누설 검출을 위한 방법 및 장치(미국등록특허 US 7,075,653 B1호 2006. 07. 11)가 개발되었다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 다종 기체가 혼합된 대기(atmosphere) 중으로 누설된 미량의 특정 누설 기체를 선택적으로 검출하는 고감도 레이저 원격 흡수분광 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, (i) 검출 대상 기체가 누설되는 위치가 레이저 흡수분광 측정장치로부터 수 m 이상 멀리 떨어져 있고, (ii) 누설 기체에 조사된 레이저를 측정장치로 다시 반사시키기 위한 별도의 광학부품 없는 경우, 이 장치는 누설이 발생하는 구조물 또는 측정 대상 자체의 표면에서 후방 산란되는 미약 레이저 신호를 수집하여 처리함으로써 높은 신호대잡음비(SNR)로 기체 누설량을 측정할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 미량기체 원격검출용 레이저 주파수/강도 변조(FM/IM) 흡수분광 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은, 주파수와 강도를 동시에 변조시키는 레이저 광원을 채용하여 생성한 원격 시료 흡수분광 신호를 취득/처리/계산함으로써, 주파수 변조(FM) 흡수분광 기술에 비해 (i) 원격검출 신호 규격화 과정의 신호대잡음비 특성과 신뢰도를 향상시키고, (ii) 레이저 출력광의 강도 변조(IM) 및 요동이 존재하는 상황에서도 신호 처리하여, 원거리 누설 기체의 흡수도(absorbance)를 우수한 측정 감도와 정확도로 정량화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 측정 대상에 프로브 빔을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부; 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및 상기 광감지부의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 처리부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부는 양자 케이스케이드 레이저(quantum cascade laser)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부는 레이저 전류 구동부; 및 상기 레이저 구동부로부터 전류를 제공받아 상기 프로브 빔을 생성하는 레이저를 포함할 수 있다. 상기 변조 주파수로 상기 전류를 변조함에 따라 상기 광주파수가 소정의 주파수 대역에서 변조되고 동시에 상기 프로빔의 강도가 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부는 상기 광주파수를 소정의 주파수 대역에서 상기 변조 주파수로 변조시킨 출력광을 생성하는 레이저; 상기 레이저의 광주파수를 변조하기 위한 레이저 구동부; 및 상기 레이저의 상기 출력광을 제공받아 상기 출력광의 강도를 상기 변조 주파수로 변조시키어 상기 프로브 빔을 출력하는 강도 변조부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부는 순차적으로 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들; 및 상기 레이저들의 출력광을 다중화하여 순차적으로 복수의 레이저들 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 다중화기; 상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파장분할 다중화기의 출력을 제공받아 시간에 따라 상기 변조 주파수로 상기 프로빔의 강도를 변조하는 강도 변조부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 처리부는 상기 광감지부의 레이저 흡수 신호를 이용하여 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하는 록인 증폭기; 및 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 연산 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔의 일부를 제공받아 전기신호로 변환하여 광원 강도 신호를 생성하는 광원 출력 감지부를 더 포함할 수 있다. 상기 처리부는 상기 광원 강도 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분의 강도 진폭 변조(Δ2f)를 추출하는 보조 록인 증폭기; 상기 광감지부의 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하는 록인 증폭기; 및 상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분(M1) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2), 및 상기 광원 강도 신호의 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 연산 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부에 제어신호를 제공하는 광주파수 안정화부를 더 포함할 수 있다. 상기 광주파수 안정화부는 소정의 주파수 대역에서 주파수 변조되는 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 측정 대상을 구성하는 물질로 채워진 기준 셀; 상기 기준 셀에 상기 프로브 빔의 일부를 제공하도록 상기 프로브 빔을 분할하는 빔 분할기; 상기 기준 셀을 통과한 기준 프로브 빔을 측정하여 전기 신호로 변환하는 기준셀 광감지부; 및 상기 기준 셀 광감지부와 상기 기준 셀 사이에 배치되어 상기 프로브 빔을 통과시키고 외부 노이즈 광을 제거하는 대역 통과 필터를 포함할 수 있다. 상기 처리부는 상기 기준셀 광감지부의 출력 신호를 제공받아 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 레이저 광원부에 제어 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 가시 광선 대역의 정렬 레이저 빔을 출력하는 정렬 레이저; 및 상기 정렬 레이저 빔과 상기 프로브 빔을 결합하여 동일한 광 경로를 제공하는 이색성 거울(dichromic mirror)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원부의 출력단에 후단에 배치되어 상기 레이저 광원부에 재입사하는 반사파를 제거하는 아이솔레이터(isolator)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사하기 위한 레이저 빔 원격 전송부를 더 포함할 수 있다. 상기 레이저 빔 원 전송부는 상기 프로브 빔의 빔 사이즈를 확대하는 빔 확장부; 및 확장된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사하는 스캐너부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상에서 산란된 프로브 빔을 수집하는 망원경을 더 포함할 수 있다. 상기 망원경은 상기 산란된 프로브 빔의 수집 효율을 증가시키는 주경(primary mirror); 및 상기 주경의 중심축 상에 배치되어 상기 주경에 의하여 수집된 광 신호를 상기 광감지부에 제공하는 부경(secondary mirror)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계; 상기 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 조사하는 단계; 상기 측정 대상으로부터 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호 형태의 레이저 흡수 신호로 변환하는 단계; 및 상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는 파장 가변 반도체 레이저를 이용하여 상기 프로브 빔의 광주파수를 상기 변조 주파수로 변조하면서 동시에 상기 파장 가변 반도체 레이저의 상기 프로브 빔의 강도를 상기 변조 주파수로 변조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는 파장 가변 반도체 레이저를 이용하여 상기 프로브 빔의 광주파수를 상기 변조 주파수로 변조하는 단계; 및 상기 변조 주파수로 변조된 상기 파장 가변 반도체 레이저의 출력광을 제공받아 상기 변조 주파수로 강도 변조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들을 제공하는 단계; 및 상기 레이저들의 출력광을 다중화하여 복수의 레이저들의 출력광 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들의 출력광은 상기 광주파수에 따라 서로 다른 강도를 가지도록 설정되고, 상기 프로빔은 시간에 따라 강도 변조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔의 일부를 분할하여 상기 프로브 빔의 강도를 감지하는 단계; 및 상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계는 록인-증폭기를 사용하여 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계;및 상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고주파 성분의 비를 이용하여 상기 흡수도를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 변조 주파수(fm)로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부; 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및 상기 광감지부의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 처리부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 상기 변조 주파수로 변조하는 단계; 상기 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 조사하는 단계; 상기 측정 대상으로부터 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호 형태의 레이저 흡수 신호로 변환하는 단계; 및 상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 미량기체 원격검출용 레이저 주파수/강도 변조(FM/IM) 흡수분광 장치 및 방법은, 주파수와 강도를 동시에 변조시키는 레이저 광원을 채용하여 생성한 원격 시료 흡수분광 신호를 취득/처리/계산함으로써, 주파수 변조(FM) 흡수분광 기술에 비해 (i) 원격검출 신호 규격화 과정의 신호대잡음비 특성과 신뢰도를 향상시키고, (ii) 레이저 출력광의 강도 변조(IM) 및 요동이 존재하는 상황에서도 신호 처리하여, 원거리 누설 기체의 흡수도(absorbance)를 우수한 측정 감도와 정확도로 정량화할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 미량기체 원격검출용 레이저 주파수/강도 변조(FM/IM) 흡수분광 장치는 레이저 분광 라이다 (LIDAR) 기술에 적용하여, 기체 누설이 의심되는 원거리의 구조물 또는 측정 타겟을 대상으로 미량의 기체 누설량과 위치를 높은 감도와 공간분해능으로 탐지하여 영상화할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조만을 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조 및 강도 변조를 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호를 주파수 도메인에서 표시한 도면이다.
도 8은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호에서 변조 주파수의 제1 고조파 성분과 제2 고조파 성분을 샘플의 흡수도에 따라 표시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미량 기체 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조만을 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조 및 강도 변조를 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호를 주파수 도메인에서 표시한 도면이다.
도 8은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호에서 변조 주파수의 제1 고조파 성분과 제2 고조파 성분을 샘플의 흡수도에 따라 표시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미량 기체 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 설명하는 흐름도이다.
통상적인 원격 탐지기술로는 적외선 카메라(IR camera), 푸리에 변환 적외선 분광(FTIR), 비행체 탑재 기체종 분석기, 레이저 레이더(light detection and range ; LIDAR) 등이 있다. 그러나, 통상적인 원격 탐지기술은 낮은 측정 감도 또는 기체 포집의 필요성 등이 요구되다. 따라서, 통상적인 원격 탐지기술은 미량 기체의 누설을 탐지에 부적합하고, 새로운 원격 탐지기술의 개발이 요구된다.
다종 기체 혼합물 상태인 대기(atmosphere) 중으로 누설된 미량의 특정 기체종(gas species)을 선택적으로 검출하는 방법으로서, 레이저를 이용한 흡수 분광법(laser absorption spectroscopy)이 사용될 수 있다. 이 때, 누설 기체종 고유의 공명 흡수선(resonant absorption line)에 광 주파수(optical frequency)를 맞춘 레이저 빔은 누설 위치에 조사된 후, 누설 기체에 의한 레이저 흡수 강도가 측정될 수 있다. 이에 따라, 우리는 누설 여부를 판단하거나 기체 누설량을 정량화한다.
통상적인 원격 측정 상황에서는, (i) 검출하고자 하는 기체의 누설 위치가 레이저 흡수분광 측정장치로부터 수 m 이상 멀리 떨어져 있고, (ii) 누설 기체 흡수에 의해 감쇠된 레이저 신호가 별도의 광학부품이 없이 누설 발생 구조물 또는 측정 대상 표면 자체의 후방 산란(back scattering)에 의해 측정 장치로 다시 반사되어 수집 처리된다. 따라서, 매우 미약한 레이저 신호광을 높은 효율로 수집함과 동시에 우수한 신호대잡음비의 측정 및 신호처리가 이루어지는 경우에만, 미량의 누설 기체에 대하여 충분한 검출 감도가 확보될 수 있다.
이를 위해, 고감도/저잡음 레이저 FM 흡수 분광 기법은 누설 기체 종에만 선택적으로 흡수되는 흡수선 광주파수를 중심으로 주파수 변조(FM: frequency modulation)된 레이저를 이용할 수 있다. 간단히 원리를 설명하면, 누설 기체의 흡수선의 광 주파수(absorption line optical frequency)를 중심으로 소정의 선폭을 가지고 변조 주파수로 주파수 변조된 레이저 광이 누설 기체에 조사되면, 상기 변조 주파수가 2배로 배가된 레이저 흡수 강도 변조 신호가 얻어진다. 레이저 흡수 강도 변조 신호를 전기신호로 변환하여 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분를 락인 증폭검출(lock-in detection)하면, 누설 기체 흡수량에 비례하는 변조 주파수의 2차 고조파 성분 또는 변조 신호 진폭 (modulation signal amplitude)이 얻어질 수 있다.
FM(Frequency Modulation) 레이저 흡수 분광법은 조사하는 레이저의 광 주파수가 고정된 DC 레이저 흡수 분광법와 비교할 때, 검출 대상 기체에 의한 레이저 흡수신호 성분만을 검출한다. 따라서, FM(Frequency Modulation) 레이저 흡수 분광법은 배경 신호 (background signal)를 용이하게 제거하고 측정의 신호대잡음비를 높일 수 있는 장점을 가진다. 이 때, FM 레이저 흡수 분광법에서 전제되어야 할 기술적 요건은 다음과 같다. (i) FM 레이저의 출력 강도가 시간적으로 일정하게 유지되고, (ii) 레이저 출력 강도(intensity), 원격 측정 레이저 경로 상에서의 광 감쇠 (attenuation), 및 기체 누설 위치에서 측정 대상 표면의 공간적으로 균일하지 않은 후방산란 효율(backscattering efficiency) 등을 고려하여 측정 신호광의 강도는 규격화(normalization)되어야 한다.
미량의 누설 가스에 대한 기체 종 선택적 원격 검출을 위한 레이저 주파수 변조(FM) 흡수분광 측정법은 다음과 같은 문제점을 가진다. (i) 주파수 변조(FM) 레이저 광원은 실제적으로 출력 강도의 시간적 진폭 변조(AM: amplitude modulation) 또는 강도 변조(Intensity modulation)를 수반한다. 이에 따라, 이러한 광원은 측정 신호광의 파형 왜곡을 초래하여, 주파수 변조(FM) 흡수분광 이론에 기반한 누설 가스 흡수도(absorbance) 정량화를 불가능하게 한다. (ii) 일반적으로 원격 검출되는 레이저 광은 강도가 매우 미약하기 때문에, 기체 누설 구조물 또는 측정 대상 표면에서의 후방산란 효율 불균일성을 규격화하기 위한 누설 가스 흡수신호 처리에서 낮은 신호대잡음비의 DC 레이저 검출 신호를 직접 이용할 경우, 과도한 측정 오차 및 감도 저하가 발생한다.
즉, 레이저 광원이 변조 주파수로 주파수 변조(FM)를 수행하는 단계에서 임의의 강도 변조(IM)를 동반하는 경우, 레이저 흡수분광 신호는 상기 변조 주파수의 2차 고조파로 표시되는 이상적인 변조 파형에서 벗어나 시간적으로 왜곡된 파형을 갖는다. 따라서, 일반적으로 변조 주파수의 고조파 성분들을 포함한다. 이 때, 왜곡된 레이저 흡수분광 신호에 내포된 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분은 측정하고자 하는 누설 가스 흡수도(absorbance)에 선형적으로 비례하지 않는다. 또한, 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분은 강도 변조(IM)의 진폭 및 위상 특성에도 의존할 수 있다. 따라서, 우리는 레이저 흡수분광 신호로부터 기존의 주파수 변조(FM) 흡수분광 이론을 적용해 측정결과를 해석할 수 없다.
또한, 통상적인 주파수 변조(FM) 흡수분광 장치를 이용해 원격 시료의 흡수도를 정량화려면, 레이저 흡수분광 신호에 포함된 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 레이저 신호 전체의 DC 레벨로 규격화하는 과정이 반드시 요구된다. 측정하고자 하는 미량 기체 시료의 흡수도가 매우 작은 경우, 잡음 레벨이 상당히 높은 레이저 흡수분광 신호의 DC 레벨의 측정 상 오차는 흡수도 측정의 감도와 정확도에 결정적인 한계로 작용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 원격 누설 가스 탐지용 주파수 변조(FM) 흡수분광 측정에 있어서, 앞에 서술한 (i) 주파수 변조(FM) 레이저 광원의 강도 변조(IM) 문제를 해결하고, (ii) 원격 검출 신호에 대한 규격화 처리 과정이 우수한 신호대잡음비 특성을 가지도록 고안된 레이저 주파수/강도 변조 원격 분광 장치와 누설 가스 흡수도 정량화 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 검출하고자 하는 기체종 (gas species) 고유의 공명 흡수선(resonant absorption line)을 중심으로 광주파수와 출력 강도가 동시에 변조되는 레이저 빔은 측정 대상에 제공되고, 원격 스캔(scan)할 수 있다. 가스 누설이 발생하는 구조물 또는 측정 대상 표면으로부터 후방산란되는 미약한 레이저 흡수 신호는 수집되고, 2-채널 락인 증폭(2-channel lock-in detection)될 수 있다. 신호 처리/계산 과정을 통해서 탐지 기체 누설량에 의존하는 광 흡수도(absorbance)는 높은 측정 감도와 신호대잡음비로 정량화될 수 있다.
보다 자세하게, FM/IM 레이저 광원의 구현 방법으로는 (i) 파장가변 레이저 광원의 주파수 변조(FM) 과정에서 동시에 수반되는 강도 변조(IM) 양상을 이용하는 방법과 (ii) 출력 강도의 변화 없이 순수하게 광주파수의 변조만 이루어지는 이상적인 FM 레이저 광원에 별도의 강도 변조(IM) 장치를 추가하는 방법이 있을 수 있다. 이 때, 레이저 자체 또는 별도 장치에 의한 강도 변조(IM)의 변조 주파수(modulation frequency)는 주파수 변조(FM)의 변조 주파수(modulation r frequency)와 같도록 설정될 수 있다. 또한, 강도 변조(IM)에 의한 레이저 출력 강도 파형은, 실제 구현 과정에서 미세한 왜곡이 일어나기 때문에 기본 주파수(fundamental frequency) 성분 (이하, “1f-성분”이라고 칭함.) 외에도 잔류 2차 고조파(residual 2nd harmonics) 성분(이하, “2f-성분”이라고 칭함.)을 포함할 수 있다.
상기 신호 처리/계산 과정은, FM/IM 레이저 빔이 조사된 누설 기체 시료로부터 검출되는 레이저 흡수 신호의 2-채널 락인 증폭(2-channel lock-in detection)을 통하여 얻은 1f-성분 및 2f-성분의 측정치를 이용하여 레이저 흡수분광 신호를 규격화하고, FM/IM 레이저 광원의 작동 변수(operation parameters)와 연관된 방정식(equation)을 기반으로 누설 기체 흡수도(absorbance) 대한 수학적 해(solution)를 찾을 수 있다.
이 때, 상기 방정식에 포함되는 FM/IM 레이저 광원의 작동 변수는 임의로 설정할 수 있는 값이지만, 실제 레이저 광원의 운용 상 작동 변수가 특정 설정치에 고정되지 않고 시간적으로 요동할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 처리/계산 과정의 신호대잡음비와 신뢰도를 향상할 목적으로 레이저 광원의 작동 변수(상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 진폭, 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭)는 실시간으로 측정되어 이용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
가스는 통상적으로 선박 또는 가스 저장 탱크 등에 저장될 수 있다. 상기 가스의 누출은 화재, 폭발, 또는 독성을 가질 수 있다. 이에 따라, 측정 대상의 가스 누출 여부를 확인할 필요가 있다. 상기 가스는 탱크에 저장된 가스 또는 가스 누출을 확인하기 위한 시험용 가스일 수 있다. 저장된 가스의 경우, 가스는 메탄, 에탄, 또는 프로판 가스 등일 수 있다. 시험용 가스의 경우, 가스는 헬륨 또는 N2O 일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가스는 N2O이다. 상기 N2O 가스의 투과 스펙트럼(또는 흡수 스펙트럼)은 복수의 흡수선들을 포함한다. 이들 중에서 관심있는 하나의 흡수선(E)이 선택될 수 있다. 상기 흡수선(E)은 가스 누설을 검출하기 위하여 사용될 수 있다.
가스의 흡수선을 정의하는 세가지 파라미터는 흡수선의 중심 주파수, 흡수선의 강도, 그리고 흡수선의 형태일 수 있다. 각각의 흡수선은 내츄럴 브로드닝(natural broadening)에 의하여 일정한 크기의 선폭을 가진다. 또한, 각각의 흡수선은 추가적으로 지표면 근처의 대기 중에서 가스 분자들 사이의 서로 간의 충돌에 의한 선폭 확장 현상에 의한 압력 브로드닝(pressure broadening)을 가진다. 상기 압력 브로드닝(pressure broadening)에 의하여 흡수선의 형태는 로렌츠 프로파일(Lorentz profile)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변조를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 흡수선은 로렌츠 프로파일을 가질 경우, 일정한 세기의 레이저의 광주파수는 변조 주파수(fm)를 가지고 특정한 가스의 흡수 스펙트럼에 안정화된 사인 함수일 수 있다. 구체적으로 상기 레이저의 광주파수(fcm)는 다음과 같이 주어질 수 있다. 상기 레이저의 광 주파수(ν)는 ν0 + Δνmod cos(2πfmt) 일 수 있다.
여기서, fm은 변조 주파수이고, ν0는 흡수선의 중심 광주파수이고, Δνmod 는 변조진폭이고, t는 시간이다.
상기 레이저의 광주파수는 시간에 따라 사인파의 형태를 가지는 경우, 누설 가스를 투과한 광은 상기 누설 가스의 상기 흡수선에 의하여 변형되어 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분을 포함한다. 따라서, 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분은 상기 누설 가스의 농도에 의존할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조만을 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치가 주파수 변조 및 강도 변조를 수행하는 경우 신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호를 주파수 도메인에서 표시한 도면이다.
도 8은 도 4의 레이저 흡수 분광 장치의 레이저 흡수 신호에서 변조 주파수의 제1 고조파 성분과 제2 고조파 성분을 샘플의 흡수도에 따라 표시한 도면이다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(100)는 레이저 광원부(110), 광감지부(130), 및 처리부(140)를 포함한다. 상기 레이저 광원부(110)는 측정 대상(179a)에 프로브 빔(12)을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔(12)의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조한다. 상기 광감지부(130)는 상기 측정 대상(179a)에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔(14)을 전기 신호로 변환한다. 상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출한다.
도 5를 참조하면, 상기 레이저 광원부(110)가 통상적으로 변조 주파수(fm)로 주파수 변조만을 수행하는 경우, 상기 레이저 빔의 광 주파수가 시간에 따라 표시된다. 상기 레이저 광원부(110)의 중심 광주파수는 상기 측정 대상(179a)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 수 있다.
상기 공명 흡수도(A0) 또는 흡수도는 상기 측정 대상에 의하여 흡수되는 빛의 세기에 의존할 수 있다. 상기 측정 대상에서 후방 산란된 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분은 상기 흡수도와 상기 흡수선 변조 폭의 곱에 의존할 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)의 광주파수가 상기 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 흡광도는 최대일 수 있다. 이에 따라, 상기 프로브 빔은 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란되어 상기 레이저 흡수 신호로 변환될 수 있다. 상기 레이저 광원부의 광주파수는 상기 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 레이저 흡수 신호는 최소의 세기를 가질 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원부의 광주파수가 상기 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수에서 가장 멀어진 경우, 상기 레이저 흡수 신호는 최대의 세기를 가질 수 있다. 상기 프로브 빔의 주파수 변조에 의하여, 상기 레이저 흡수 신호는 주로 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
레이저 (프로브 빔)의 중심 광주파수는 기체종 선택적 공명 흡수선의 중심 광주파수(ν0)에 맞추질 수 있다. 기체종 선택적 공명 흡수선의 폭은 Δabs일 수 있다. 레이저의 변조 주파수는 fm일 수 있다. 레이저의 변조 주파수의 변조 폭은 Δνmod 일 수 있다. 상기 레이저의 광 주파수는 ν0 + Δνmod cos(2πfmt) 일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 레이저 광원부가 변조 주파수(fm)로 주파수 변조(FM) 및 강도 변조(IM)를 수행하는 경우, 상기 프로브 빔의 광주파수가 시간에 따라 표시된다. 상기 프로브 빔은 특정한 주파수 대역(2 Δνmod)의 범위 내에서 변조 주파수(fm)로 주파수 변조될 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)의 프로브 빔(12)은 상기 변조 주파수(fm)으로 강도 변조되고, 기생적으로, 상기 레이저 광원부의 프로브 빔(12)은 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분으로 추가적으로 강도 변조될 수 있다. 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분과 제2차 고조파 성분의 상기 강도 변조 진폭의 비는 10 배 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분으로 강도 변조는 제거되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 프로브 빔(12)은 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란되어 상기 레이저 흡수 신호(14)로 변환될 수 있다. 상기 레이저 광원부의 광주파수는 상기 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 레이저 흡수 신호(14)는 최소의 세기를 가질 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원부의 광주파수가 상기 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수에서 가장 멀어진 경우, 상기 레이저 흡수 신호(14)는 최대의 세기를 가질 수 있다. 한편, 상기 레이저 광원부(110)는 강도 변조를 동반하기 때문에, 상기 레이저 흡수 신호(14)는 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)가 상기 변조 주파수로 주파수 변조를 수행하는 경우, 기생적으로, 상기 레이저 광원부는 상기 변조 주파수로 강도 변조를 수행할 수 있다. 또한, 강도 변조는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
이하, 상기 레이저 광원부(110)가 주파수 변조 및 강도 변조를 수반하는 경우, 상기 레이저 흡수 신호(14)의 파형이 이론적으로 설명된다.
상기 프로브 빔은 강도 변조에 의하여 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(Δ1f) 및 2차 고조파 성분(Δ2f)을 포함하는 경우, 상기 프로브 빔의 파워는 다음과 표시된다.
여기서, PL은 상기 프로브 빔의 파워이고, P0는 DC 파워이고, Δ1f는 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 진폭이고, Δ2f는 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭이다. ωm은 변조 각주파수(ωm=2πfm)이고, Φ1f는 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 위상이고, Φ2f는 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 위상이다. 한편, 상기 측정 대상의 흡수 변조는 다음과 같이 표현된다.
여기서, Amod은 상기 측정 대상의 흡수 변조이고, A0는 상기 측정 대상의 공명 흡수도이고, Δabs는 흡수선 변조 폭이고, Φabs는 주파수 흡수 변조 위상이고, 2ωm은 주파수 변조 흡수 변조 주파수이다.
상기 레이저 흡수 신호(14)는 전기신호(Vsig)로 변환될 수 있다. 상기 흡수 변조와 상기 프로브 빔의 파워의 곱으로 다음과 같이 표시될 수 있다. 상기 레이저 흡수 신호(Vsig)는 광감지부에 의하여 전기 신호로 표시될 수 있다.
상기 레이저 흡수 신호(Vsig)는 DC 성분, 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f), 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f), 상기 변조 주파수의 3차 고조파 성분(M3f), 및 상기 변조 주파수의 4차 고조파 성분(M4f)을 포함할 수 있다.
상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)와 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)은 충분한 크기를 가질 수 있다. 따라서, 상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)와 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 계수 비(S=M2f/M1f)는 노이즈(noise)에 강한 특성을 보일 수 있다.
또한, 상기 공명 흡수도(A0)는 S(=M2f/M1f)와 설정값들(Δ1f , Δ2f ,...) 의 함수로 표시될 수 있다. 이에 따라, 상기 공명 흡수도(A0)가 산출될 수 있다. 상기 공명 흡수도는 상기 측정 대상이 누설 기체인 경우, 상기 누설 기체의 농도에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 누설 기체의 존부 및 상기 누설 기체의 농도가 확인될 수 있다. 상기 프로브 빔이 공간적으로 주사되는 경우, 공명 흡수도 영상이 얻어질 수 있다.
상기 계수 비(S=M2f/M1f)는 측정대상의 흡수도(A0)를 산출하기 위하여 이용된다. 이 때, 상기 계수 비(S=M2f/M1f)는 레이저의 불규칙한 강도 요동과 기체 누설 구조물 또는 후방산란 측정 대상의 불균일한 반사율이 신호 해석에 미치는 영향을 원리적으로 제거한 규격화된 신호이다.
상기 계수 비(S=M2f/M1f)는 구하고자 하는 흡수도(A0)에 대한 방정식을 구성할 수 있다. 따라서, FM/AM 레이저 흡수 신호의 2-채널 락인 증폭 검출 결과를 이용하여 상기 계수 비(S=M2f/M1f)를 계산하고, FM/IM 레이저 광원의 동작 변수 설정치 또는 측정치를 구해 상기 방정식의 계수를 결정하면, 측정 대상의 흡수도(A0)를 얻을 수 있다.
측정 대상의 흡수도(A0)에 대한 방정식은 FM/IM 레이저 광원의 동작 변수값에 의존할 수 있다. 주파수 변조(FM)의 변조 주파수 또는 흡수선 변조 폭과 같은 설정 물리량과 달리 레이저 강도 변조(IM)와 연관된 1f 및 2f 강도 변조 진폭(Δ1f, Δ2f) 및 위상(Φ1f, Φ2f)은 사용하는 레이저의 특성 및 환경 변화에 따라 시간적으로 요동하는 물리량들이다.
도 8을 참조하면, 상기 공명 흡수도(A0)에 따른 상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f), 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f), 및 이들의 비(S=M2f/M1f)가 표시된다. x축은 상기 측정 대상의 공명 흡수도(A0)를 나타낸다. 실선은 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)이 없는 경우이고, 점선은 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)이 있는 경우이다. 흡수도가 대략 0.1 이하인 경우, 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분의 세기는 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분보다 증가한다. 이에 따라, 상기 강도 변조에 의한 변조 주파수의 1차 고조파 성분을 이용하면, 우리는 미세한 흡수도를 검출할 수 있다.
다시, 도 4를 참조하면, 측정 대상(179a)은 액체, 기체, 또는 고체일 수 있다. 예를 들어, 원격 가스 검출을 위하여, 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 설비의 가동을 중단하지 않고 일일 수 천 대의 설비를 신속 정확하게 검사할 수 있고, 정비 수리시간을 대폭 단축시켜주며 공정을 검사할 수 있다. 특히 유해하거나 위험한 가스의 누설을 수 미터 이상 원거리에서 검사할 수 있다. 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 가스 별로 중심 광주파수를 변경할 수 있다. 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 복수의 가스를 순차적으로 검출할 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)는 양자 케이스케이드 레이저(quantum cascade laser)일 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 광원부(110)는 분자지문 분광대역인 중적외선(mid-infrared light)을 발생시킬 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)는 가변 파장 레이저 광원(tunable wavelength laser source)일 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)은 특정한 가스의 흡수 스펙트럼 중에서 특정한 단일 흡수선의 선폭의 범위에서 변조 주파수를 가지고 시간에 따라 레이저 주파수를 연속적으로 변경할 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)는 색소 레이저, 파라메트릭 발진 레이저, 스핀 플립 라만 레이저, 또는 반도체 레이저일 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)는 레이저 전류 구동부(114) 및 상기 레이저 전류 구동부(114)로부터 전류를 제공받아 상기 프로브 빔(12)을 생성하는 레이저(112)를 포함할 수 있다. 상기 변조 주파수(fm)로 상기 전류를 변조함에 따라 상기 광주파수가 소정의 주파수 대역에서 변조되고 동시에 상기 프로빔의 강도가 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다. 상기 레이저 전류 구동부(114)는 레이저에 흐르는 전류를 변조 주파수로 시간에 따라 변조할 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 광원부(110)의 출력광의 광주파수는 사인함수로 변조되고, 동시에 상기 프로브 빔의 강도는 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다. 상기 프로브 빔의 강도 변조는 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분만을 포함하는 것이 바람직하나, 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
함수 발생기(147)는 변조 주파수를 가지는 사인 함수 또는 기준 신호를 생성할 수 있다. 함수 발생기는 록인 증폭기(lock-in amplifier)에 록인 감지를 위하여 기준 신호를 제공할 수 있다. 상기 기준 신호는 상기 변조 주파수를 가진 사인 신호 또는 펄스 신호일 수 있다. 상기 함수 발생기(147)는 기준 신호를 생성하여 상기 레이저 광원부(110)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저 광원부(110)는 상기 기준 신호에 동기화되어 상기 변조 주파수로 상기 주파수 변조 및 강도 변조를 수행할 수 있다. 또한, 상기 함수 발생기(147)의 기준 신호는 광주파수 안정화부(160), 록인 증폭기(142), 및 보조 록인 증폭기(146)에 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 광주파수 안정화부(160)는 상기 레이저 광원부(110)의 중심 광주파수를 상기 흡수선의 중심 광주파수에 동기화시킬 수 있다. 또한, 상기 록인 증폭기(142)는 상기 레이저 흡수 신호(14)로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 2차 고조파 성분을 추출할 수 있다. 또한, 상기 보조 록인 증폭기(146)는 상기 프로브 빔의 강도 신호(Vint)로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 2차 고조파 성분을 추출하여, 강도 변조 진폭을 추출할 수 있다.
상기 레이저 광원부의 후단에는 아이솔레이터(isolator, 172)가 배치될 수 있다. 상기 아이솔레이터(172)는 상기 레이저 광원부(110)에 재입사하는 반사파를 제거할 수 있다.
상기 아이솔레이터(172)의 후단에는 제1 빔 분할기(167)가 배치될 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(167)는 상기 프로브 빔(12)의 일부를 반사시켜 광주파수 안정화부(160)에 제공할 수 있다.
상기 광주파수 안정화부(160)는 상기 레이저 광원부(110)의 중심 광주파수를 안정화시킬 수 있다. 상기 광주파수 안정화부(160)는 소정의 주파수 대역에서 주파수 변조되는 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 측정 대상을 구성하는 물질로 채워진 기준 셀(163), 상기 기준 셀(163)에 상기 프로브 빔의 일부를 제공하도록 상기 프로브 빔을 분할하는 빔 분할기(167, 162), 상기 기준 셀(163)을 통과한 기준 프로브 빔을 측정하여 전기 신호로 변환하는 기준셀 광감지부(166), 및 상기 기준셀 광감지부(166)와 상기 기준 셀(163) 사이에 배치되어 상기 프로브 빔을 통과시키고 외부 노이즈 광을 제거하는 대역 통과 필터(164)를 포함할 수 있다. 상기 처리부(140)는 상기 기준셀 광감지부(166)의 출력 신호를 제공받아 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 레이저 광원부(110)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 빔 분할기(167,162)는 제1 빔 분할기(167)와 제2 빔 분할기(162)를 포함할 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(167)는 상기 아이솔레이터(172)의 후단에 배치되어, 상기 프로브 빔의 일부를 분할할 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(167)의 분할 비율은 100:1 수준일 수 있다. 상기 분할된 프로브 빔은 제2 빔 분할기(162)를 통하여 다시 분할될 수 있다. 상기 제2 빔 분할기(162)의 분할 비율은 50: 50 일 수 있다. 상기 제2 빔 분할기(162)를 통하여 분할된 빔은 상기 기준 셀(163)에 제공될 수 있다. 한편, 상기 제2 빔 분할기(162)를 통하여 분할된 다른 빔은 광원 출력 광감지부(150)에 제공될 수 있다.
상기 제2 빔 분할기(162)는 상기 프로브 빔의 일부를 상기 기준 셀(163)에 제공할 수 있다. 상기 기준 셀(163)은 측정하고자 하는 누설 가스를 밀봉한 투명한 셀일 수 있다. 이에 따라, 주파수 가변 레이저 빔이 상기 기준 셀(163)을 투과하는 경우, 투과 스펙트럼( 또는 흡수 스펙트럼 )이 나타날 수 있다. 상기 누설 가스는 N2O, He, CH4, 등일 수 있다. 상기 기준 셀(163)을 투과한 레이저 광은 대역 통과 필터(164)에 제공될 수 있다. 상기 대역 통과 필터(164)는 상기 누설 가스의 소정의 흡수선 대역 이외에 다른 파장을 가진 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 상기 대역 통과 필터(164)는 프로브 빔의 변조 주파수 대역을 통과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다. 상기 대역 통과 필터(164)를 통과한 광은 기준셀 광감지부(166)에 제공된다.
상기 기준셀 광감지부(166)는 광 신호를 전기 신호로 변경할 수 있다. 상기 기준셀 광 검출기는 포토 다이오드일 수 있다. 상기 기준셀 광감지부의 주파수 안정화 검출 신호는 상기 중심 광 광주파수에서 피크를 보일 수 있다. 상기 기준셀 광감지부(166)의 주파수 안정화 검출 신호는 주파수 안정화 제어를 위하여 처리부(140)에 제공될 수 있다. 상기 처리부(140)는 상기 함수 발생기(147)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 주파수 안정화 검출 신호의 피크 위치에 상기 레이저 광원(110)의 중심 광주파수를 일치하도록 제어할 수 있다.
상기 제2 빔 분할기(162)는 프로브 빔을 분할하고, 상기 광원 출력 감지부(150)에 제공할 수 있다. 상기 광원 출력 감지부(150)는 강도 변조 및 주파수 변조된 프로브 빔을 측정할 수 있다. 상기 광원 출력 감지부의 출력 신호는 흡수 스펙트럼에 의한 영향이 없어, 상기 레이저 광원의 강도 변조의 결과만을 표시할 수 있다. 상기 광원 출력 감지부(150)의 출력 신호(Vint)는 보조 록인 증폭기(146)에 제공될 수 있다. 상기 보조 록인 증폭기(146)는 상기 프로브 빔의 강도 변조 진폭을 측정할 수 있다. 구체적으로, 상기 보조 록인 증폭기(146)는 상기 함수 발생기(147)로부터 상기 변조 주파수의 기준 신호를 제공받아, 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ1f)을 추출할 수 있다. 또한, 추가적으로, 상기 보조 록인 증폭기는 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)을 추출할 수 있다.
상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ1f) 및 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)은 상기 연산 처리부(144)제공되고, 상기 연산 처리부(144)는 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하기 위한 초기 설정 변수값으로 사용할 수 있다.
만약, 상기 레이저 광원부(110)가 일정한 강도 변조 특성을 가지고 있는 경우, 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ1f) 및 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)은 측정되지 않고 설정값으로 대체될 수 있다.
상기 보조 록인 증폭기(146)는 초기 동작 상태에서 1회에 한하여 상기 광원 출력 감지부(150)의 출력 신호 또는 상기 광원 강도 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분의 강도 변조 진폭 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분의 강도 변조 진폭을 추출할 수 있다.
상기 아이솔레이터(172)의 후단 또는 상기 제1 빔 분할기(167)의 후단에 이색성 거울(174)이 배치될 수 있다. 상기 이색성 거울(174)은 정렬 레이저 빔(13)과 상기 프로브 빔(12)을 결합할 수 있다.
정렬 레이저(180)는 가시 광선 대역의 정렬 레이저 빔을 출력할 수 있다. 상기 정렬 레이저(180)는 프로브 빔이 상기 측정 대상에 정확히 조사되었는지를 사용자의 눈으로 확인하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 정렬 레이저(180)는 가스 광선 대역의 레이저 또는 광원일 수 있다. 상기 정렬 레이저(180)는 정렬 레이저 광원(182), 상기 정렬 레이저 광원의 레이저 빔을 집속하여 광섬유(186)에 제공하는 제1 렌즈(184), 및 상기 광섬유의 출력광을 평행광으로 변환하는 제2 렌즈(188)를 포함할 수 있다.
상기 이색성 거울(174)은 상기 정렬 레이저 빔(13)과 상기 프로브 빔(12)을 결합하여 동일한 광 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 이색성 거울(174)은 상기 프로브 빔을 투과시키고, 상기 정렬 레이저 빔을 반사시키어 동일한 광 경로를 제공할 수 있다. 상기 정렬 레이저 빔과 상기 프로브 빔은 선택적으로 상기 측정 대상(179a)에 제공될 수 있다. 정렬 단계시, 상기 정렬 레이저 빔을 사용하여 주사하고자 하는 영역을 확인하고, 측정 단계시, 상기 정렬 레이저 빔은 제거되고, 상기 프로브 빔이 상기 측정 대상(179a)을 주사할 수 있다.
상기 프로브 빔(12)은 상기 측정 대상(179a)에 조사된다. 상기 측정 대상은 유조선 또는 가스 탱크에서 누설된 가스일 수 있다. 상기 누설 가스는 상기 프로브 빔을 흡수하여 변조된 레이저 흡수 신호(14)를 생성할 수 있다. 상기 프로브 빔은 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란될 수 있다. 원격 가스 검출의 경우, 상기 프로브 빔은 후방 산란될 수 있다.
상기 광감지부(130)는 포토다이오드일 수 있다. 상기 광감지부(130)는 적외선 영역에서 반응하는 반도체 광소자일 수 있다. 상기 광감지부는 HgCdZnTe 계열의 물질을 사용할 수 있다.
상기 광감지부(130)의 출력 신호는 전기신호인 레이저 흡수 신호(Vsig)로 변환될 수 있다. 상기 레이저 흡수 신호(14)는 상기 레이저 광원의 주파수 변조 및 강도 변조에 의하여, 상기 변조 주파수의 1차 및 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다. 상기 1차 고조파 성분은 상기 강도 변조에 주로 기인하고, 상기 제2차 고조파 성분은 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)과 상기 변조 주파수의 제2 고조파 성분의 흡수선 변조 폭에 주로 의존할 수 있다.
상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 레이저 흡수 신호를 이용하여 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하는 록인 증폭기(142), 및 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 연산 제어부(144)를 포함할 수 있다.
상기 록인 증폭기(142)는 2 채널-록인 증폭기이고, 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 및 2차 고조파 성분(M1f, M2f)을 동시에 추출할 수 있다. 상기 록인 증폭기(142)는 상기 함수 발생기(147)로부터 상기 변조 주파수의 기준 신호를 제공받을 수 있다.
상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 1차 및 2차 고조파 성분(M1f, M2f)은 연산 처리부(144)에 제공되고, 상기 연산 처리부(144)는 상기 측정 대상의 흡수도(A0)를 산출할 수 있다. 상기 연산 처리부(144)는 컴퓨터일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 연산 처리부(144)는 상기 록인 증폭기를 대신하여 실시간으로 상기 레이저 흡수 신호를 제공받아 푸리어 변환하고, 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f) 및 2차 고조파 성분(M2f)을 추출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미량 기체 원격 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다.
도 4 및 9를 참조하면, 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(100a)는 레이저 광원부(110), 광감지부(130), 및 처리부(140)를 포함한다. 상기 레이저 광원부(110)는 측정 대상(179a)에 프로브 빔을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조한다. 상기 광감지부(130)는 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환한다. 상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출한다.
레이저 빔 원격 전송부(176,178)는 상기 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사할 수 있다. 상기 레이저 빔 원격 전송부(176,178)는 상기 프로브 빔의 빔 사이즈를 확대하는 빔 확장부(176), 및 확장된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사하는 스캐너부(178)를 포함할 수 있다. 상기 빔 확장부(176)는 입사하는 레이저 빔의 빔 사이즈를 확대시킬 수 있다. 상기 빔 확장부(176)는 공초점을 가지는 한 쌍의 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 스캐너부(178)는 원거리의 측정 대상을 1차원 또는 2차원 주사할 수 있다. 주사 방식은 라스터 스캔(raster scan) 일 수 있다. 상기 스캐너부(178)는 한 쌍의 반사 거울을 포함하는 레이저 갈바노 스캐너(Laser Galvano-Scanner)일 수 있다.
상기 프로브 빔(12)은 상기 측정 대상에 조사된다. 상기 측정 대상은 유조선 또는 가스 탱크일 수 있다. 상기 측정 대상에서 누설된 가스는 상기 프로브 빔을 흡수하여 변조된 레이저 흡수 신호를 생성할 수 있다. 상기 프로브 빔은 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란될 수 있다. 원격 가스 검출의 경우, 상기 프로브 빔은 후방 산란될 수 있다.
원격 가스 검출의 경우, 상기 후방 산란된 프로브 빔의 강도는 상기 광검출기(130)가 배치된 측정 위치에서 매우 작을 수 있다. 상기 후방 산란된 프로브 빔을 많이 수집하기 위하여, 망원경(190)이 상기 광검출기(130)의 전단에 배치될 수 있다.
상기 망원경(190)은 반사식 만원경일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 망원경은 카세그라인식 망원경(Cassegrian Telescope)일 수 있다. 상기 망원경(190)은 상기 산란된 프로브 빔의 수집 효율을 증가시키는 주경(primary mirror, 192), 및 상기 주경(192)의 중심축 상에 배치되어 상기 주경에 의하여 수집된 광 신호를 상기 광감지부에 제공하는 부경(secondary mirror, 194)을 포함할 수 있다.
상기 광감지부(130)는 상기 부경과 상기 주경의 중심축 상에 배치될 수 있다. 또는, 상기 광감지부(130)는 상기 망원경(190)의 외부에 배치되고, 상기 부경과 상기 주경의 중심축 상에 배치된 광섬유를 통하여 후방 산란된 프로브 빔을 제공받을 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다. 도 4에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(200)는 레이저 광원부(210), 광감지부(130), 및 처리부(140)를 포함한다. 상기 레이저 광원부(210)는 측정 대상(179a)에 프로브 빔을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조한다. 상기 광감지부(130)는 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환한다. 상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출한다.
상기 레이저 광원부(210)는 상기 광주파수를 소정의 주파수 대역에서 상기 변조 주파수로 변조시키어 일정한 강도의 출력광을 생성하는 레이저(212), 상기 레이저의 광주파수 변조를 수행하기 위한 상기 레이저 구동부(214), 및 상기 레이저의 상기 출력광을 제공받아 상기 출력광의 강도를 상기 변조 주파수로 변조시키어 상기 프로브 빔을 출력하는 강도 변조부(216)를 포함할 수 있다. 상기 레이저(212)는 파장 가변 레이저일 수 있다. 상기 레이저는 변조 주파수(fm)로 광주파수 변조만을 수행할 수 있다. 상기 강도 변조부(216)는 상기 레이저의 출력광을 시간에 따라 강도 변조할 수 있다. 상기 강도 변조를 위한 변조 주파수(fm)는 상기 주파수 변조를 위한 변조 주파수와 동일할 수 있다. 상기 강도 변조부(216)는 기계적인 광학 초퍼(mechanical optical chopper), 한 쌍의 수직한 편광판 및 액정 소자를 포함하는 액정 강도 변조기, 전기 흡수 변조기(electroabsorption modulator), 또는 전기광학 변조기일 수 있다.
함수 발생기(147)는 상기 강도 변조부(216)에 상기 변조 주파수의 기준 신호를 제공할 수 있다. 상기 강도 변조부(216)는 상기 기존 신호에 동기화되어 상기 프로브 빔(12)을 강도 변조할 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 개념도이다. 도 4에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(300)는 레이저 광원부(310), 광감지부(130), 및 처리부(140)를 포함한다. 상기 레이저 광원부(310)는 측정 대상(179a)에 프로브 빔(32)을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔(32)의 강도를 변조한다. 상기 광감지부(130)는 상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환한다. 상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출한다.
상기 레이저 광원부(310)는 순차적으로 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들(312a~312n), 및 상기 레이저들(312a~312n)의 출력광을 다중화하여 순차적으로 복수의 레이저들 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 다중화기(313)를 포함할 수 있다. 상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다. 상기 복수의 레이저들(312a~312n)의 광주파수는 누설 가스의 흡수선의 중심 광주파수를 중심으로 소정의 선폭을 갖도록 선택될 수 있다. 상기 레이저들(312a~312n)의 광주파수는 시간에 따라 주파수 변조를 수행하도록 상기 다중화기에 의하여 선택될 수 있다. 또한, 상기 레이저들의 강도는 상기 주파수 변조를 위한 변조 주파수와 동일한 주파수를 가지고 강도 변조가 수행되도록 선택될 수 있다. 이 경우, 상기 강도 변조는 제거될 수 있다.
상기 레이저들(312a~312n)은 연속 동작 또는 펄스 동작할 수 있다. 상기 레이저들의 하나의 출력은 상기 다중화기에 의하여 선택적으로 출력될 수 있다.
한편, 상기 레이저들의 출력이 일정한 경우, 강도 변조부(316)는 상기 다중화기(313)의 후단에 배치될 수 있다. 상기 강도 변조부(316)는 상기 다중화기(313)의 출력을 제공받아 시간에 따라 상기 변조 주파수로 상기 프로빔의 강도를 변조할 수 있다. 상기 강도 변조의 변조 주파수는 상기 주파수 변조의 변조 주파수와 동일할 수 있다.
상기 레이저들의 출력은 상기 다중화기(313)에 의해 시분할되어 순차적으로 주파수 변조될 수 있다. 상기 시분할 주파수는 상기 변조 주파수보다 충분히 클 수 있다. 후방 산라된 프로브 빔은 광감지부에 의하여 레이저 흡수 신호로 변환될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 상기 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계(S110), 상기 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 조사하는 단계(S120), 상기 측정 대상으로부터 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호 형태의 레이저 흡수 신호로 변환하는 단계(S130), 및 상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계(S140)를 포함한다.
도 12 및 도 10을 참조하면, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계(S110)는 파장 가변 반도체 레이저를 이용하여 상기 프로브 빔의 광주파수를 상기 변조 주파수로 변조하는 단계, 및 상기 변조 주파수로 변조된 상기 파장 가변 반도체 레이저의 출력광을 제공받아 상기 변조 주파수로 강도 변조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 강도 변조는 별도의 강도 변조부(216)에 의하여 수행될 수 있다.
도 12 및 도 11을 참조하면, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계(S110)는 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들을 제공하는 단계, 및 상기 레이저들의 출력광을 다중화하여 복수의 레이저들의 출력광 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 단계를 포함한다. 상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다. 다중화기(313)는 시간 분할하여 복수의 레이저들의 출력광 중의 하나를 출력할 수 있다. 이에 따라, 순차적으로, 상기 프로브 빔은 주파수 변조되고 동시에 상기 레이저들의 출력들은 서로 다르게 설정되어, 강도 변조될 수 있다. 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들의 출력광은 상기 광주파수에 따라 서로 다른 강도를 가지도록 설정되고, 상기 프로빔은 시간에 따라 강도 변조될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계(S110)는 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저들(312a~ 312n)의 출력은 일정하고, 다중화된 출력은 강도 변조기(316)에 의하여 강도 변조될 수 있다.
상기 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 상기 프로브 빔의 일부를 분할하여 상기 프로브 빔의 강도를 감지하는 단계, 및 상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 강도 변조된 설정값은 실시간으로 광원 출력 광감지부(150) 및 보조 록인 증폭기(146)에 의하여 측정될 수 있다. 상기 보조 록인 증폭기(146)는 상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 더 측정할 수 있다.
처리부(140)는 상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출한다. 록인 증폭기(142)는 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출한다.
연산 처리부(144)는 상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고주파 성분의 비를 이용하여 상기 흡수도를 추출한다. 상기 측정 대상은 저장 탱크로부터 누출되는 가스일 수 있다. 상기 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 원격 가스 누출 검출에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
110: 레이저 광원부
130: 광감지부
140: 처리부
160: 광주파수 안정화부
180: 정렬 레이저
130: 광감지부
140: 처리부
160: 광주파수 안정화부
180: 정렬 레이저
Claims (24)
- 측정 대상에 프로브 빔을 제공하고 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부;
상기 측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및
상기 광감지부의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부는 양자 케이스케이드 레이저(quantum cascade laser)인 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 레이저 광원부는:
레이저 전류 구동부; 및
상기 레이저 구동부로부터 전류를 제공받아 상기 프로브 빔을 생성하는 레이저를 포함하고,
상기 변조 주파수로 상기 전류를 변조함에 따라 상기 광주파수가 소정의 주파수 대역에서 변조되고 동시에 상기 프로빔의 강도가 상기 변조 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부는:
상기 광주파수를 소정의 주파수 대역에서 상기 변조 주파수로 변조시킨 출력광을 생성하는 레이저;
상기 레이저의 광주파수를 변조하기 위한 레이저 구동부; 및
상기 레이저의 상기 출력광을 제공받아 상기 출력광의 강도를 상기 변조 주파수로 변조시키어 상기 프로브 빔을 출력하는 강도 변조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부는:
순차적으로 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들; 및
상기 레이저들의 출력광을 다중화하여 순차적으로 복수의 레이저들 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 다중화기;
상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제5 항에 있어서,
상기 파장분할 다중화기의 출력을 제공받아 시간에 따라 상기 변조 주파수로 상기 프로빔의 강도를 변조하는 강도 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 처리부는:
상기 광감지부의 레이저 흡수 신호를 이용하여 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하는 록인 증폭기; 및
상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 프로브 빔의 일부를 제공받아 전기신호로 변환하여 광원 강도 신호를 생성하는 광원 출력 감지부를 더 포함하고,
상기 처리부는:
상기 광원 강도 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분의 강도 진폭 변조(Δ2f)를 추출하는 보조 록인 증폭기;
상기 광감지부의 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하는 록인 증폭기; 및
상기 레이저 흡수 신호의 상기 변조 주파수의 제1 고조파 성분(M1) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2), 및 상기 광원 강도 신호의 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부에 제어신호를 제공하는 광주파수 안정화부를 더 포함하고,
상기 광주파수 안정화부는:
소정의 주파수 대역에서 주파수 변조되는 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 측정 대상을 구성하는 물질로 채워진 기준 셀;
상기 기준 셀에 상기 프로브 빔의 일부를 제공하도록 상기 프로브 빔을 분할하는 빔 분할기;
상기 기준 셀을 통과한 기준 프로브 빔을 측정하여 전기 신호로 변환하는 기준셀 광감지부; 및
상기 기준 셀 광감지부와 상기 기준 셀 사이에 배치되어 상기 프로브 빔을 통과시키고 외부 노이즈 광을 제거하는 대역 통과 필터를 포함하고,
상기 처리부는 상기 기준셀 광감지부의 출력 신호를 제공받아 상기 프로브 빔의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 레이저 광원부에 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
가시 광선 대역의 정렬 레이저 빔을 출력하는 정렬 레이저; 및
상기 정렬 레이저 빔과 상기 프로브 빔을 결합하여 동일한 광 경로를 제공하는 이색성 거울(dichromic mirror)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 레이저 광원부의 출력단에 후단에 배치되어 상기 레이저 광원부에 재입사하는 반사파를 제거하는 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사하기 위한 레이저 빔 원격 전송부를 더 포함하고,
상기 레이저 빔 원 전송부는:
상기 프로브 빔의 빔 사이즈를 확대하는 빔 확장부; 및
확장된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 주사하는 스캐너부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 측정 대상에서 산란된 프로브 빔을 수집하는 망원경을 더 포함하고,
상기 망원경은:
상기 산란된 프로브 빔의 수집 효율을 증가시키는 주경(primary mirror); 및
상기 주경의 중심축 상에 배치되어 상기 주경에 의하여 수집된 광 신호를 상기 광감지부에 제공하는 부경(secondary mirror)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계;
상기 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 상기 측정 대상에 조사하는 단계;
상기 측정 대상으로부터 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호 형태의 레이저 흡수 신호로 변환하는 단계; 및
상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제14 항에 있어서,
측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는:
파장 가변 반도체 레이저를 이용하여 상기 프로브 빔의 광주파수를 상기 변조 주파수로 변조하면서 동시에 상기 파장 가변 반도체 레이저의 상기 프로브 빔의 강도를 상기 변조 주파수로 변조하는 것을 특징하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제14 항에 있어서,
측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는:
파장 가변 반도체 레이저를 이용하여 상기 프로브 빔의 광주파수를 상기 변조 주파수로 변조하는 단계; 및
상기 변조 주파수로 변조된 상기 파장 가변 반도체 레이저의 출력광을 제공받아 상기 변조 주파수로 강도 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제14 항에 있어서,
측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는:
특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들을 제공하는 단계; 및
상기 레이저들의 출력광을 다중화하여 복수의 레이저들의 출력광 중의 하나를 상기 프로브 빔으로 출력하는 단계를 포함하고,
상기 프로브 빔의 광주파수는 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조되는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제17 항에 있어서,
측정 대상의 특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 시간에 따라 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계는:
상기 프로브 빔의 강도를 시간에 따라 상기 변조 주파수로 변조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제17 항에 있어서,
특정 흡수 스펙트럼의 선폭 범위에서 서로 다른 광주파수를 가지는 복수의 레이저들의 출력광은 상기 광주파수에 따라 서로 다른 강도를 가지도록 설정되고,
상기 프로빔은 시간에 따라 강도 변조되는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 프로브 빔의 일부를 분할하여 상기 프로브 빔의 강도를 감지하는 단계; 및
상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제20 항에 있어서,
상기 프로브 빔의 강도에서 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계는:
록인 증폭기를 사용하여 상기 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하는 단계;및
상기 변조 주파수의 1차 고주파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고주파 성분의 비를 이용하여 상기 흡수도를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법. - 변조 주파수(fm)로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부;
측정 대상에서 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및
상기 광감지부의 출력 신호인 레이저 흡수 신호를 처리하여 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고주파 성분(M1f) 및 상기 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분(M2f)을 추출하고 상기 변조 주파수(fm)의 1차 고조파 성분(M1f)과 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분(M2f)의 비(M1f/M2f)를 이용하여 상기 측정 대상에 의한 상기 프로브 빔의 흡수도를 산출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치. - 변조 주파수로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 프로브 빔의 강도를 상기 변조 주파수로 변조하는 단계;
상기 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 측정 대상에 조사하는 단계;
상기 측정 대상으로부터 반사, 투과, 또는 산란된 프로브 빔을 전기 신호 형태의 레이저 흡수 신호로 변환하는 단계; 및
상기 레이저 흡수 신호에서 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 추출하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
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