KR20210033021A

KR20210033021A - 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 이용한 간섭법

Info

Publication number: KR20210033021A
Application number: KR1020217004523A
Authority: KR
Inventors: 요아킴 푸페자; 페렌츠 크라우스; 테레사 부베를
Original assignee: 막스-플랑크-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 비쎈샤프텐 에.파우.
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2021-03-25
Also published as: CA3103494A1; EP3824245A1; US20210270596A1; CN112424560A; WO2020015809A1; EP3824245B1; CN112424560B; JP7185756B2; HUE064902T2; US11408724B2; KR102613120B1; JP2021530685A

Abstract

이중 빔 경로 간섭계를 가지며, 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 위한 간섭계 장치는 입력 빔을 적어도 하나의 편향 거울을 포함하는 제1 간섭계 암(A1)을 따라 전파하는 제1 빔과 적어도 하나의 편향 거울을 포함하는 제2 간섭계 암(A2)을 따라 전파하는 제2 빔으로 나누기 위해 배치된 빔 분리기와 제1 및 제2 빔을 보강 출력과 상쇄 출력으로 재결합하기 위한 빔 결합기를 포함하되,
상기 제1 및 제2 간섭계 암은 동일한 광학 경로 길이를 가지고,
상기 빔 분리기 및 빔 결합기의 반사 표면은 제2 간섭계 암과 비교하여 제1 간섭계 암에서, 하나의 추가적인 프레넬 반사가 광학적으로 밀한 매질에서 제공되고, 제1 및 제2 빔의 전자기장의 전파는 빔 결합기에 의해 재결합될 때, 상쇄 출력에 대한 두 간섭계 암의 기여도 사이에 파장 독립적인 π의 위상차가 되도록 배치되며,
상기 제1 간섭계 암은 제1 및 제2 간섭계 암에서 색 분산과 프레넬 손실의 균형을 맞추기 위해 배치된 균형 투과 구성을 포함한다.
아울러, 간섭 측정 장치 및 간섭 측정 방법을 개시한다.

Description

전자기장의 수색성 간섭 중첩을 이용한 간섭법

본 발명은 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 위한 간섭계 장치 및 간섭측정법(interferometer apparatus and an interferometric method for an achromatic interferometric superposition of electromagnetic fields)에 관한 것으로, 특히 이중 빔 경로 간섭계를 이용하는 것이다. 나아가, 본 발명은 간섭 측정 장치 및, 간섭계 장치와 간섭 측정 장치를 이용한 간섭 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어, 방사선-물질의 상호 작용(radiation-matter interaction)의 조사 분야, 샘플의 스펙트럼 응답(spectral responses) 측정, 전자기장의 공간 분포(spatial distribution) 및 광학 소자(optical components) 테스트에 적용할 수 있다.

본 명세서에서, 본 발명의 기술적 배경 및 관련 기술을 설명하기 위해 하기 종래 기술을 참조한다.

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종래의 분광 기술(spectroscopic techniques)에서, 정밀 조사(scrutiny)를 받는 과정과 관련된 신호는 방사선 소스 강도(또는 필드)(radiation source intensity (or field))의 변화로 나타난다. 이는 최소 검출 가능 신호(smallest detectable signal)에 관하여 두가지 주요 한계점을 야기한다: 첫째, 그 크기는 과도한 소스 노이즈(excess source noise)로 인한 하한값이다. 둘째, 상대적으로 큰 신호의 작은 변화를 분해(resolving)하려면 높은 동적 범위의 검출(high-dynamic-range detection)이 필요하다.

검출하기 전 기준 신호(reference signal)를 광학적으로 감산(optically subtracting)하면 원하는 신호 변화만을 분리할 수 있고, 두가지 한계점 모두 완화할 수 있다. 기술적으로, 이는 암(arms) 내에서 정밀 조사를 받는 과정을 통해 빛의 전파를 정확히 다르게 하는 간섭계에 의해 실현 될 수 있다 [1]. 이상적으로는, 두 암과 반대 위상을 결합하는 간섭계 포트에서 (미미한) 차이만이 상쇄 간섭에서 살아 남는다 [2]. 그렇게 함으로써, 과도한 소스 노이즈가 검출 한계에 미치는 영향을 주로 샷 노이즈(shot-noise) 수준까지 경감시킬 수 있다 [3, 4]. 동시에, - 일반적으로 수배 더 강한 - 기준 신호의 제거(cancellation)는 검출기(detector) 및 디지털 전자 장치(digitization electronics)의 동적 범위 요건(dynamic range requirements)을 완화한다 [5, 6]. 따라서, 검출된 샘플 응답의 진폭을 높임으로써, 여기 강도(excitation intensity)는 검출기의 포화 한계(saturation limit)를 훨씬 초과할 수 있다. 샘플 및 기준 신호의 연속적인 측정(sequential measurement)은 불필요해지기 때문에, 측정 시간 및 시스템 오류(systematic error)는 감소한다 [7, 8]. 이러한 이점에 더해, 광학적 감산(optical subtraction)은 두 샘플사이의 작은 차이의 가시성(visibility)을 증가시켜 두 샘플의 직접적인 비교가 가능해진다.

광대역 주파수-영역 및 시간-영역 분광법(정의상 광대역)에 대한 광학적 널링(optical nulling)을 적용하려면 수퍼-옥타브 스펙트럼(super-octave spectra)의 동시 제거(simultaneous cancellation) 문제를 해결해야한다. 관측 천문학 분야에서 수색성 위상 변이(chromatic phase shifting)를 위한 몇몇 해결책이 개발되었다 [10]. 예를 들어, 한쌍의 거울 대칭 잠만경을 기하학적 위상 변이(geometric phase shift)를 구현하는데 사용할 수 있고 [11], 하나의 암에서 추가 초점에 의해 도입된 구이 위상 변이(Gouy phase shift)를 사용할 수도 있다. 또한, 한 쌍의 직각 프레넬 사방체(right-angle Fresnel rhombs)는 수색성 1/4 파장판(achromatic quarter-wave plates)처럼 기능할 수도 있다 [13]. 하지만, 상기 해결책들은 모두 기술적으로 복잡하거나 초단 펄스 적용(ultrashort pulse applications)에는 적합하지 않다.

광학적 널링에 대한 간섭계 개념은 액체 샘플의 스펙트럼 흡수 및 분산 측정을 위해 헤이든(Hayen) 등 [14]에 의해서 제시되었다. 하지만 이 기술은 조정 가능한 협대역 레이저(tunable narrowband laser)를 이용한 측정으로만 제한되며, 초단 펄스를 이용한 광대역 측정에는 적합하지 않다.

본 발명의 목적은 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 이용해서 종래 기술의 한계점과 단점을 회피할 수 있는 개선된 간섭계 장치(interferometer apparatus), 개선된 간섭측정법(interferometric method), 개선된 간섭 측정 장치(interferometric measurement apparatus) 및/또는 개선된 간섭 측정 방법(interferometric measurement method)을 제공하는 것이다. 특히, 간섭 기술은 수색성 간섭 중첩이 가능해야 하고, 특히, 광대역 스펙트럼을 갖는 전자기장의 감산(subtraction) 및/또는 합산(summation)이 가능해야 하며, 특히, 증가된 소광 능력(extinction capability), 감도(sensitivity), 및/또는 SNR을 제공해야 한다.

독립항의 특징을 포함하는 본 발명의 장치 및/또는 방법에 의해 상기 목적을 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 유리한 실시예 및 적용은 종속항에서 정의하고 있다.

본 발명의 제1 일반적인 관점에 따르면, 상기 목적은 빔 분리기 장치(beam splitter device) 및 빔 결합기 장치(beam combiner device)를 포함하는 이중 빔 경로 간섭계(dual beam path interferometer)를 이용하는 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 특징으로 하는 간섭계 장치에 의해 달성할 수 있다. 상기 빔 분리기 장치(이하: 빔 분리기(beam splitter), 예를 들어, 투명판)는 입력 빔(input beam)을 제1 간섭계 암을 따라 전파하는 제1 빔과 제2 간섭계 암을 따라 전파하는 제2 빔으로 분리할 수 있다. 상기 제1 및 제2 간섭계 암은 동일한 광학 경로 길이(optical path length)를 가진다. 상기 빔 결합기 장치(이하: 빔 결합기(beam combiner), 예를 들어, 투명판)는 제1 및 제2 빔을 보강 출력(constructive output) 및 상쇄 출력(destructive output)으로 재결합시킬 수 있다. 상기 상쇄 출력(또는: 차이 출력(difference output))은 제1 및 제2 간섭계 암을 따라 이동하는 전자기장의 차이를 나타낸 것이고, 상기 보강 출력(또는: 합계 출력(sum output))은 제1 및 제2 간섭계 암을 따라 이동하는 전자기장의 합을 나타낸 것이다. 제1 및 제2 간섭계 암 각각은 적어도 하나의 편향 거울(deflection mirror)을 포함한다. 이때, 상기 편향 거울은 빔 분리기에서 빔 결합기로의 각각의 간섭계 암의 빔 경로를 안내한다.

빔 분리기로 전파하고 제1 및 제2 빔으로 나누어지는 입력 빔과 각각의 제1 및 제2 빔은 프레넬 반사(Fresnel reflections)에 의해 편향된다. 프레넬 반사는 광학적으로 밀한 매질 또는 광학적으로 소한 매질의 반사 표면(reflective surface)에서 일어난다. 프레넬 반사는 코팅되지 않은 표면(uncoated surface)에서 일어난다. 광학적으로 밀한 매질로부터의 프레넬 반사는 전자기장이 기체(예를 들어, 공기 또는 진공)와 같은 광학적으로 소한 매질(굴절률이 더 낮은 매질)을 통해 투명판과 같은 광학적으로 밀한 매질(굴절률이 더 높은 매질)로 진행되어, 광학적으로 밀한 매질에서 반사가 발생한다. 이 경우, 반사장(reflected field)은 입사장(incident field)과 비교하여, π만큼의 위상차를 가진다. 상기 π의 위상차는 제1 및 제2 빔의 전자기 방사선(electromagnetic radiation)에 포함되는 모든 파장에 대해 효과적이다. 광학적으로 밀한 매질로부터의 프레넬 반사는 예를 들어, 빔 분리기 또는 빔 결합기의 외측면에서 또는, 편향 거울에서 발생한다. 광학적으로 소한 매질로부터의 프레넬 반사는 전자기장이 투명판과 같은 광학적으로 밀한 매질을 통해 기체(예를 들어, 공기 또는 진공)와 같은 광학적으로 소한 매질로 진행되어 광학적으로 소한 매질에서 반사가 발생한다. 이 경우, 반사장은 입사장과 비교하여, 위상차가 나지 않는다. 소한 매질로부터의 프레넬 반사는 예를 들어, 빔 분리기 또는 빔 결합기의 내측면에서 발생한다.

본 발명에 따르면, 이중 빔 경로 간섭계는 특히 제2 간섭계 암과 비교하여 제1 간섭계 암에서 광학적으로 밀한 매질로부터 하나의 추가적인 프레넬 반사가 제공되도록 빔 분리기 및 빔 결합기의 반사 표면이 배치되는 것을 특징으로 한다. 두 간섭계 암의 상쇄 포트(destructive port)에 대한 기여도(contribution)에 있어서, 제1 간섭계 암에서 하나 이상의 프레넬 반사가 광학적으로 밀한 매질로부터 발생한다. 따라서, 제1 및 제2 빔의 전자기장의 전파는 상쇄 포트에 대한 두 간섭계 암의 기여도 사이에 파장 독립적인 π의 위상차를 초래한다. 이는 빔 분리 및 빔 결합이 제2 표면으로부터의 영-위상-변이(zero-phase-shift) 반사를 코팅이 방지하기 때문에 파장 독립적인 위상차를 제공할 수 없는 코팅된 표면에서 실현되는 점이 [14]와 대조적이다.

따라서, 다시 말하자면, 빔 분리기 및 빔 결합기의 반사 표면은 제1 및 제2 간섭계 암에서 전파하는 전자기장에 의한 반사의 수와 투과의 수는 상쇄 포트에서 균형을 이루도록 배치된다. 상기 제1 및 제2 빔의 전자기장의 전파는 제1 간섭계 암에서 광학적으로 밀한 매질로부터의 하나의 추가적인 반사에 의해 다르고, 두 간섭계 암의 기여도 사이에 파장 독립적인 π의 위상차를 초래한다.

광학적으로 밀한 매질로부터 프레넬 반사가 제공될 때, 전자기 방사선의 반사는 빔 분리기 및 빔 결합기의 코팅되지 않은 표면에서 발생한다.

나아가, 본 발명에 따르면, 제1 간섭계 암은 제1 및 제2 간섭계 암에서의 색 분산(chromatic dispersion)과 프레넬 손실(Fresnel losses)의 균형을 맞추기 위해 배치된 균형 투과 구성(balancing transmission element)을 포함한다. 본 발명의 이중 빔 경로 간섭계는 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)와 유사하지만, 제1 및 제2 간섭계 암에서 전파하는 전자기장에 의한 반사의 수와 투과의 수는 상쇄 포트에서 균형을 이뤄, 제2 간섭계 암에서 제2 빔에 의해서 통과되는 추가적인 투명 매질(transparent media)을 야기한다. 유리하게는, 균형 투과 구성은 이러한 추가적인 투명 매질의 효과를 보정한다. 바람직하게는, 균형 투과 구성은 투명판을 포함한다. 바람직하게는, 균형 투과 구성은 임의의 측정 동안 이동하지 않는다. 즉, 전체 측정 과정에서 위치와 방향은 고정된다.

전자기장은 예를 들어, UV, VIS 및/또는 IR 범위의 파장을 갖는 빛 또는 예를 들어, 최대 100 μm의 파장을 가지는 다른 파장 범위의 방사선을 포함한다. 상기 전자기장은 광대역 스펙트럼을 가지며, 최소 1%의 옥타브에서 최대 1 옥타브 또는 그 이상(여러 옥타브와 같이, 예를 들어 최대 3,4, 또는 5 옥타브)의 주파수 영역에 걸쳐있다. 전자기장은 제1 및 제2 간섭계 암의 광학 경로 길이 이상의 가간섭 길이(coherence length)를 갖는 펄스 레이저 광(pulsed laser light) 또는 열 방사(thermal radiation)를 포함할 수 있다.

유리하게는, 대역폭(예: 950nm - 2100nm) 및 강도 억제(intensity suppression) (4x10^-4)의 전례없는 조합을 가지는 마하-젠더-유사 간섭계(Mach-Zehnder-like interferometer)가 제공된다. 태양계 밖의 행성의 직접적인 관찰을 위해 개발된 더 복잡한 접근법과 비교하면, 수색성 널링(achromatic nulling)에 대한 본 발명의 개념은 광학적으로 덜 밀한 매질에서 더 밀한 매질의 경우 및 그 반대의 경우, 경계면으로부터의 프레넬 반사의 조합에만 의존한다. 미분 분자 핑거프린팅(differential molecular fingerprinting)의 실제 테스트에서, 본 발명자들은 무시할 수 있는 지문 정보(negligible fingerprint information)를 전달하여, 순간 응답(instantaneous response)으로부터 충동 χ⁽¹⁾ 여기(impulsive χ⁽¹⁾ excitation)에 대한 분자 샘플의 공진 응답(resonant response)을 공간적으로 분리했다. 하나의 간섭계 암에 메탄 가스 샘플을 사용하여, 본 발명자들은 광대역, 충동 여기(broadband, impulsive excitation)로부터 가간섭성 분자 진동 방출(coherent molecular vibrational emission)을 공간적으로 분리한다. 이는 검출 감도(detection sensitivity)가 소스 강도 변동(source intensity fluctuation)에 대해 크게 영향 받지 않게 하여, 직접 투과 구조(direct transmission geometry)에 비해, 감지 가능 농도(detectable concentration)의 두자릿수 향상을 야기한다. 상기의 새로운 개념은 시간 영역 및 주파수 영역 분광법(time-domain and frequency-domain spectrosocopy)을 포함하여, 높은 검출 감도와 동적 범위를 요구하는 감지 응용 분야에 도움이 될 것이다.

두 간섭계 암 사이의 위상 변이는 하나의 빔을 다른 빔에 비하여 지연시킴으로써 얻을 수 있다. 얻어진 위상 변이

은 다음과 같다:

, (1)

이때,

은 광학 경로 길이 차이이고, λ는 파장이다. 광대역 상쇄 간섭의 경우, 간섭하는 전자기장 사이의 π의 파장 독립적 위상 변이가 제공된다. 하지만, 식 (1)은 상호 지연에 의한 위상 변이가 항상 파장에 의존함을 보여준다. 반면, 본 발명은 파장 독립적인 위상 변이를 사용한다.

본 발명의 제2 일반적인 관점에 따르면, 상기 목적은 본 발명의 제1 일반적인 관점에 따른 간섭계 장치, 입력 빔을 생성하기 위해 배치된 방사선 소스(radiation source), 및 상쇄 출력을 검출하기 위해 배치된 제1 검출 장치(detection device)를 포함하는 간섭 측정 장치에 의해 달성될 수 있다. 방사선 소스는 예를 들어, 제1 및 제2 간섭계 암의 광학 경로 길이 이상의 가간섭 길이(coherence length)를 가지는 펄스 레이저(pulsed laser) 또는 열 방사 소스(thermal radiation source)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방사선 소스는 가간섭 길이를 증가시키는 공간 필터(spatial filter)와 결합된 열 소스를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 일반적인 관점에 따르면, 상기 목적은 본 발명의 제1 일반적인 관점에 따른 간섭계 장치 및/또는 본 발명의 제2 일반적인 관점에 따른 간섭 측정 장치를 이용한, 간섭 측정 방법에 의해 달성될 수 있다. 상기 간섭 측정 방법은 제1 및 제2 간섭계 암 중 어느 하나에 조사할(to be investigated) 샘플을 배치하는 단계, 제1 및 제2 간섭계 암 중 다른 하나에 기준 샘플을 배치하는 단계, 입력 빔을 생성하고 샘플 및 기준 샘플에 조사(irradiating)하는 단계, 및 빔 결합기의 보강 출력 및 상쇄 출력 중 적어도 어느 하나를 감지하는 단계를 포함한다. 상기 간섭 측정 방법은 제1 및 제2 빔의 전자기장의 수색성 간섭 감산(achromatic interferometric subtraction) 및/또는 제1 및 제2 빔의 전자기장의 수색성 간섭 합산(achromatic interferometric summation)을 포함할 수 있다.

본 발명의 간섭 측정 방법은 임의의 방사선-물질의 상호작용 (예를 들어, 선형 또는 비선형 상호작용)을 포함할 수 있다. 특히, 간섭 측정 방법은 방사선의 흡수 후 공진 완화(resonant remission)를 감지하고 광학 소자의 반사율 또는 구성의 기하학적 형태를 조사하는(investigating), 흡수(또는 투과) 측정을 포함할 수 있다. 샘플은 투과 측정 또는 반사 측정(이 경우, 추가적인 편향 거울이 간섭계 암의 폴딩(folding)에 사용된다.)을 위해 간섭계에 배치될 수 있다. 샘플은 용기(예: 셀(cell))에 배치되거나 용기 없이 배치될 수 있다. 기준 샘플은 샘플과 유사한 대상을 포함하지만 조사하고자하는 구성은 포함하지 않는다.

바람직하게, 빔 분리기 및 빔 결합기는 부분 빔(partial beam)의 공간적 분리(spatial separation)가 가능하도록 제1 및 제2 표면에서 반사된 빛의 변위를 제공하는 두께를 갖는다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반대 위상을 가지지 않는 제1 및 제2 간섭계 암 중 적어도 하나에서 전자기장을 억제하기 위해 적어도 하나의 공간 필터가 배치된다. 빔 분리기 및 빔 결합기의 제1 및 제2 표면으로부터 반사된 빔의 공간적 분리를 허용하는 두께는 빔 사이즈, 입사각, 빔 분리기 및 빔 결합기의 굴절률에 의존하여 선택된다. 예를 들어, 빔 분리기 및 빔 결합기는 적어도 0.1 mm의 두께를 가지고, 특히 바람직하게는 적어도 3 mm 및/또는 최대 10 mm, 특히 바람직하게는 최대 5mm의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 빔 분리기 및 빔 결합기는 예를 들어, 아연 셀레나이드(zinc selenide), 화학 기상 증착 다이아몬드(chemical vapor deposition diamond), 붕규산 크라운-유리(borosilicate crown-glass), UV-등급 용융 실리카(UV-grade fused silica), 및 고저항 플로트 존 실리콘(high resistivity float zone silicon)으로 만들어진 평면 투명판(plane transparent plate)이다.

대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)이 프레넬 반사에 사용되지 않는 빔 분리기 및 빔 결합기의 반사 표면 중 적어도 하나에 배치될 수 있고, 제1 및 제2 간섭계 암 중 적어도 하나에서 전자기장의 억제(suppression)도 가능케 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 광학적으로 밀한 매질로부터의 추가적인 프레넬 반사가 빔 분리기에서 제공된다.

본 발명의 다른 유리한 실시예에 따르면, 광학적으로 밀한 매질로부터의 추가적인 프레넬 반사는 빔 결합기에서 제공된다.

본 발명의 더 바람직한 실시예에 따르면, 양쪽 암이 샘플과의 상호작용에 의해 야기된 효과까지 동일하도록 간섭계를 제어하기 위해 안정화 장치(stabilization device)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 광학 경로 길이, 거울 위치 및 거울 방향 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 상기 안정화 장치는 적어도 하나의 광학 소자, 특히 간섭계의 편향 거울에 작용한다. 유리하게는, 안정화 장치가 본 발명의 장치의 장기간 안정적인 작동을 가능하게 한다. 바람직하게는, 안정화 장치가 보강 출력과 결합된 피드백 루프 제어(feedback loop control)를 포함한다.

본 발명의 더 바람직한 실시예에 따르면, 이중 빔 경로 간섭계가 진공 환경에 배치된다면, 예를 들어, 공기나 다른 기체에 의한, 간섭계에서의 빔 전파 왜곡이 억제될 수 있다.

본 발명의 더 유리한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 간섭계 암은 공간에서 서로 교차하는 복수의 편향 거울이 구성될 수 있다. 간섭계에서의 빔 폴딩(beam-folding)은 샘플 조사 위치(sample irradiation position)에서 제1 및 제2 간섭계 암의 감소된 거리를 제공하는 점에서 이점을 갖는다. 하나의 단일 측정 대상 예를 들어, 측정할 샘플 및 다른 구획에 있는 기준 샘플을 포함하는 하나의 공통 샘플 용기는 제1 및 제2 빔에 의한 동시 전파를 위한 샘플 조사 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 더 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 위상 설정 구성(phase setting element)은 입력 빔, 상쇄 출력 및 보강 출력 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 상기 위상 설정 구성은 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 처프 거울(chirped mirror) 또는 추가적인 분산 물질(dispersive material)을 포함할 수 있다. 위상 설정 구성은 예를 들어, 반치폭(full width at half maximum)을 취소화하거나 펄스 끝에서 빠른 강도 감소를 제공하기 위해, 샘플의 조사 위치에서 입력 빔의 펄스의 압축 및/또는 검출기 장치(detector device)에서 시간적 펄스 형태(temporal pulse shape)의 형성(shaping)을 가능하게 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 및 제2 간섭계 암에서 전자기장의 횡방향 프로파일(tranverse profile)을 형성하기 위해 이미징 광학 장치(imaging optic)가 배치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 이미징 광학 장치는 입력 빔, 상쇄 출력, 및 보강 출력 중 적어도 하나의 전자기장의 횡방향 프로파일을 형성하기 위해 배치된다. 특히 바람직하게는, 상기 이미징 광학장치는 입력 빔을 간섭계(예: 샘플의 조사 위치)에 집중시키기 위해 배치된다. 유리하게는, 이는 국부 강도 및 방사선과 물질의 조사된(investigated) 비선형 상호작용의 크기를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 간섭 측정 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 제2 검출 장치는 보강 출력을 검출하기 위해 배치될 수 있다. 유리하게는, 제2 검출 장치는 간섭계를 안정화시키기 위한 안정화 장치와 결합될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점과 세부사항은 첨부된 도면을 참조하여 다음에서 설명된다.
도 1 내지 4는 본 발명의 간섭계 장치 및/또는 본 발명의 간섭 측정 장치의 실시예들을 보여주고,
도 5는 본 발명의 간섭 측정 장치의 하나의 실시예를 보여주고,
도 6 내지 8은 도 5의 설계로 얻어진 실험 결과의 그래프이다.

도 1은 광대역 레이저 소스(101), 보조 레이저(102), 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizers)(103), 편향 거울(104), 투명판(105), 공간 필터(106), 보정판(compensating plate)(균형 투과 구성)(107), 1/4 파장판(108), 편광 빔 분리기(polarizing beam splitter)(109), 균형 검출기(balanced detector)(110), 편향 거울(104)을 이동시키기 위한 압전 변환기(piezo electric transducer)(111), 및 잠금 전자 장치(locking electronics)(112)를 포함하는 본 발명의 간섭계 장치(100)의 하나의 실시예를 나타낸 것이다. 113은 분광계(spectrometer) 또는 시간 분해 분광법(time resolved spectroscopy)을 위한 장치와 같은, 빔 결합기(105)의 상쇄 출력을 검출하기 위한 검출기 장치이다. 도 2는 도 1의 간섭계 장치(100)에서 빔 경로를 상세히 나타낸 것이다. 이때, 201은 빔 분리기(105)의 제1 반사이고, 201a는 빔 분리기(105)의 제2 반사이다. 202는 빔 분리기(105)의 투과이고, 202a는 빔 분리기(105)의 제3 반사이며, 202b는 빔 결합기(105)의 제1 반사이다. 상기 반사들의 선택 특히, 빔 결합기(105)의 제1 반사(201)와 빔 결합기(105)의 제2 반사에 의해, 간섭계 암 A1과 A2의 기여도 사이의 π의 위상차가 상쇄 출력에서 유도된다. 공간 필터(106)에 의해, 빔 분리기 및 빔 결합기(105)의 다른 반사들은 차단된다. 간섭계 장치(100)의 구체적인 작동 과정은 도 5를 참조하여 설명한다.

도 3은 도 1 및 2의 실시예와 비교하여, 광학 소자의 거울 배치(mirrored arrangement)를 가지는 본 발명의 간섭계 장치(100)의 대안적인 실시예를 나타낸 것이다. 구성 104, 105, 106, 107, 111, 및 113은 도 1과 동일한 부분을 표시한다. 가스셀(gas cell, GC)은 간섭 측정 장치의 구성을 나타내기 위해 개략적으로 도시되었다.

도 4는 교차된 간섭계 암 A1 및 A1을 가지는 본 발명의 간섭계 장치(100)의 또 다른 대안적인 실시예를 나타낸 것이다. 구성 104, 105, 106, 107, 및 111은 도 1과 동일한 부분을 표시한다. 401은 두 구획을 가지는 샘플 셀이다.

도 5a는 마하-젠더-유사 간섭계를 나타낸 것이다: 간섭계로 들어온 빛은 빔 분리기의 제1 표면에서 일부는 반사되고 일부는 투과된다. 반사된 빛은 보정판(균형 투과 구성)을 통과하여 빔 결합기의 제1 표면에서 일부 반사된다. 투과된 빛은 빔 결합기의 제2 표면에서 일부 반사된다. 간섭계의 상쇄 포트 (destructive port)(상쇄 출력을 제공)는 진단 단계(diagnotstics) (검출기 장치)로 보내지는 반면, 보강 포트(constructive port)(보강 출력을 제공)는 안정화에 사용된다. 예를 들어, 보조 레이저(CW 레이저)로부터 H

nsch-Coulliaud 오류 신호(H

nsch-Coulliaud error signal)를 생성한다. 간섭계를 통해, 예를 들어 11-fs 펄스가 950 내지 2100 nm 범위에 걸쳐 전파되고, 어븀 섬유 발진기(erbium fiber oscillator)로부터 발생한다. BP는 1550 nm에서의 FWHM = 12 nm인 대역통과필터(Band pass filter)이고, PBS 는 편광 빔 분리기(Polarizing beam splitter)이며, LP는 950 nm 롱패스 필터(950 nm longpass filter)이다. 도 5b는 간섭계 암 1의 빔 프로파일(beam profile)을 나타내고, 도 5c는 간섭계 암 2의 빔 프로파일을 나타낸다.

더 구체적인 실험 설계는 도 5a에 도시하였다. 두가지 필수 변경 사항을 제외하고 실험 설계는 마하-젠더 간섭계와 동일하다. 후자의 경우, 간섭계 암 사이의 π의 수색성 위상차는 낮은 굴절률을 가진 매질로의 경계에서 반사될 때, 위상 변화(phase change)를 겪지 않는 광파의 근본적인 특성에서 발생한다. 하지만, 종래의 마하-젠더 간섭계의 상쇄 포트로 전파하는 빛은 하나의 암에서 세번 반사되고, 두번 투과되며, 다른 암에서 한번 반사된다. 광대역 방사선의 경우, 굴절률 변화로 인해 불완전한 제거가 발생한다. 본 발명자들은 각각의 암에서 동일한 수의 반사 및 투과를 상쇄적으로 결합하여, 종래의 마하-젠더 간섭계의 이러한 단점을 회피하였다. 그 결과, 암 2에서의 추가 물질 통로(additional material passage)는 암 1의 빔 결합기보다 2배 두꺼운 윈도우(균형 투과 구성)를 추가하여 보정된다. 도 5a에서 간섭계의 상부 출력(upper output)의 경우, 암 2의 빔 분리기의 제1 표면 및 암 1의 빔 결합기의 제2 표면으로부터 빛이 반사되기 때문에, 간섭광은 반대 위상을 갖는다. 도 5b 및 5c는 다른 암은 차단되고 공간 필터를 거친 후, 각각 암 1 및 암 2의 빔 프로파일을 나타낸 것으로, 다른 암은 차단되는 동안, 공간 필터링(spatial filtering)을 거친 후 상쇄포트에서 기록된 것을 나타낸다.

간섭계는 빔 분리 및 결합을 위해 판상형(plain)이고, 3mm 두께인 붕규산 크라운 유리 (borosilicate crown glass) (N-BK7) 윈도우를 사용한다. 기판의 두께 및 물질은 의도치 않은 다중 반사를 공간적으로 필터링하기 위해 제1 및 제2 표면으로부터의 반사 사이에 적절한 공간 분리를 제공하기 위해 선택된다. 상쇄 포트로 들어가는 파워를 최대화하는 최적의 분리 비율(optimum splitting ratio)인 20:80에 가까운 s-편광(s-polarized light)에 대해 약 18%의 반사율을 제공하기 위한, 윈도우에서 입사각은 60°이다. 간섭계의 거울 대칭(mirror symmetry)으로 인해, 입사광의 작은 빔 포인팅 변동(small beam pointing fluctuations)은 소광(extinction)에 영향을 미치지 않는다.

광경로차(optical path difference, OPD)의 안정화를 위해, 암 1의 길이는 압전 변환기(piezo electric transducer, PZT)에 작용하는 피드백 루프(feedback loop)를 통해 제어된다. H

nsch-Coulliaoud 오류-신호 [15]는 빔 높이(beam height)의 옵셋(offset)을 가지고, 주 레이저의 빔 경로를 정확히 따르는 보조 레이저를 사용하여 생성된다. 보조 레이저의 입력 편광(input polarization)은 전파판(propagation plane)에 대하여 45° 회전각을 가지는 선형이므로, 두 암은 암 1이 두번 투과되고 암 2가 두번 반사되는 보강 포트에서 편광 변화(polarization change)를 얻는다.

테스트 실험은 56 MHz에서 작동하는 상용 어븀 섬유 발진기(commercial erbium fiber oscillator)로부터 생성된 수퍼-옥타브 스펙트럼으로 수행되었다. 고비선형 섬유(highly nonlinear fiber, HNF) (자세한 내용은 [16] 참조)에서, 발진기의 90-fs 펄스는 평균 파워 175 mW에서 950 내지 2100 nm 범위의 스펙트럼을 가져, 스펙트럼이 넓어지고, 11-fs 펄스로 일시적으로 압축된다.

동일한 암 길이 외에도, 간섭계 내의 광학 소자의 배열이 수색성 널링에 중요하다. 이상적으로는, 모든 광학 소자는 서로 평행해야 하고, 기판의 두께는 빔 포인팅, 강도, 및 분산 불균형(dispersion unbalance)의 영향과 차선의 공간 중첩(suboptimal spatial overlap)을 최소화하는데 적합해야 한다.

도 6a는 1550 nm 및 10-μm의 중심 파장(central wavelength)에서 간섭계 내의 두가지 다른 광학적 구성(optical elements)의 오배열(misalignment)에 대한 소광비(extinction ratio)의 감소를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도 6b는 다른 입력 펄스 지속시간(input pulse durations) 동안 빔 분리기 및 빔 결합기의 기판 두께에서의 차이에 따른 소광비의 감소를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 음영 영역은 제조업체가 지정한 일반적인 두께 공차이다.

더 구체적으로, 도 6a는 재결합 이후 두 암의 공간 중첩(spatial overlap)에 있어서, 각도 오배열(angular misalignment)의 영향을 소광비의 저하로 직접 변환하여 계산한 것을 나타낸 것이다. 본 발명자들의 계산에 따르면, 임의의 광학적 구성의 오배열은 소광비에 대해 동일한 정량적 영향을 미친다. 표시된 수치들은 30 cm의 실험 암 길이에 해당되는 값이다. 암 길이가 길어질수록, 배열 민감도(alignment sensitivity)는 증가한다. 상업적으로 이용 가능한 전동 키네마틱 마운트(motorized kinematic mounts)(1 μrad)의 정확성에 대해, 공간 중첩만을 고려한다면, 중심 파장 1550 nm에서 6x10^-6의 소광비 및 중심 파장 10-μm에서 6x10^-7의 소광비를 원칙적으로 달성가능하다. 또한, 배열뿐만 아니라, 소광비는 기판 두께의 정밀도가 제한적이어서 발생하는 분산 효과(dispersive effect)의 영향을 받는다. 도 6b는 펄스 지속시간(pulse duration)이 증가함에 따라, 기판 두께 불일치의 영향이 감소함을 보여준다. 음영 처리된 주황색 영역은 제조업체가 지정한 일반적인 두께 공차에 해당된다. 두께 불일치의 최악의 조합(암 2 및 암 1 사이가 0.9 mm)일 경우, 10-fs 입력 펄스에 대해 소광비가 2x10^-4로 제한된다.

도 7a는 광경로차가 PZT로 0을 거쳐 스캔될 때, 광다이오드(photo diode)로 측정한 소광비를 나타낸다. 노란색으로 음영 처리된 영역은 중립 밀도 필터(neutral density filter)가 적용되었다. 도 7b는 자유-주행 간섭계(free-running interferometer)와 H

nsch-Couillaud 오류 신호를 통해 잠긴 간섭계(the interferometer locked via the H

nsch-Couillaud error signal)에 대해, 광다이오드로 측정한 소광비를 나타낸다. 또한, 도 7b는 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)의 노이즈 플로어(noise floor)와 주파수 분해 신호(frequency resolved signals)를 나타낸다. 도 7c는 스펙트럼으로 분해된 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 나타낸다. 일정한 주파수에서 상쇄 간섭 스펙트럼의 변조(modulation)는 빔 분리기/결합기의 두께에 해당되고, 기판(들)에서 다중 반사의 불완전한 공간 필터링에 의해 설명될 수 있다. 파선 곡선은 40-nm 단계의 적분(integration of 40-nm steps)에 의해 계산된 하부 및 상부 스펙트럼(lower and upper spectrum) 사이의 소광비를 나타낸다.

상기 테스트에서, 간섭계의 성능은 0을 거쳐 OPD를 스캔하기 위해, 톱니 파형 전압(saw tooth voltage)을 PZT에 인가하는 동안, 상쇄 포트에서 광다이오드(photodiode, PD)를 이용해, 신호를 기록하는 것에 의해 정의된다. OPD=0이 아닌 경우, PD의 선형 응답(linear response)을 보장하기 위해 교정된 중립 밀도 필터가 적용되었다. 측정된 전압을 소광비로 변환하기 위해, 보강 간섭을 위한 전압이 계산되어야 했다. 이상적으로, 간섭장(interfering fields) E ₁ 및 E ₂ 는 동일하고 하기 식을 만족한다.

I _con = |E ₁ + E ₂|² = |2E ₁|² = 4I ₁, (2)

이 때, I _con은 이상적인 보강 간섭의 강도이고 I ₁은 하나의 암의 강도이다.

본 발명자들은 하나의 암의 강도에 해당하는 전압을 측정했고, 상쇄 간섭동안 기록된 신호를 상기 전압 값의 4배로 나누었다. 도 7a는 소광비 및 PZT 전압의 결과를 보여준다. 소광비는 4.2 x 10^-4의 최소값에 도달하고, 이 값은 수동 배열(manual alignment)의 제한적인 정밀도를 고려하여 계산된 값과 충분히 일치한다. OPD의 수정(modification)은 두 간섭계 암 사이의 파장 의존적 위상차를 발생시킬 것이기 때문에, 광대역 보강 간섭은 상쇄 간섭을 위해 설계된 포트에는 도달할 수 없다는 점에 주목할 필요가 있다. 이는 PD 신호의 최대값이 왜 1 보다 작은지를 설명한다. 도 7b는 30초의 시간 범위에서, 간섭계의 상쇄 포트에서의 잠긴 PD 신호와 자유 주행 PD 신호의 비교를 나타낸 것이다. 잠긴 상태(the locked state)에서, 소광비의 제곱 평균(root mean square, RMS) 값은 6.1 x 10^-4이다. 스캔된 소광비와 잠긴 소광비 사이의 차이는 간섭계의 두 암에서 공기 변동(air fluctuations)이 달라져서 발생했을 가능성이 높다. 도 7b는 50 kHz까지 잠긴 상태 및 자유 주행 상태에서 상쇄 포트의 주파수 분해 변동(frequency-resolved fluctuations)을 나타낸다. 50 kHz를 초과하는 경우, 두 신호 모두 무선 주파수(radio-frequency, RF) 분석기의 노이즈 레벨에 도달한다. 50 Hz에서의 공통 피크(common peak)는 전원 공급 주파수(power supply frequency)에서 기인할 수 있는 반면, 30Hz에서의 공통 피크는 측정장치로부터의 아티팩트(artifact)이다. 최대 몇 kHz까지, 안정화 체계(stabilization scheme)는 모든 변동을 RF 분석기의 노이즈 레벨까지 감소시킨다. 30 kHz에서의 중요한 특징은 잠김(the lock)에 의해 완전히 제거될 수 없다.

소광의 파장 의존성을 조사하기 위해, 안정화된 신호는 광학 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer, OSA)에 연결된 단일-모드 섬유(single-mode fiber)에 집중시켰다. 도 7c에서, 상쇄 간섭과 이상적인 보강 간섭의 파워 스펙트럼 밀도(power spectral densities, PSD)가 도시되어 있다. (후자는 단일 암으로부터 PSD의 4배로 정의된다.) 파장 분해 소광비(wavelength-resolved extinction ratio)는 40 nm의 단계에서 PSD를 적분(integrating)하고, 상쇄 PSD(destructive PSD)를 보강 PSD(constructive PSD)로 나눠서 계산된다. 상기 적분은 OSA의 불충분한 스펙트럼 분해능으로부터 발생하는 두 신호에서의 비공동 변조(non-coinciding modulation)로 인한 극값을 회피한다. 스펙트럼 분해 소광비(spectrally resolved extinction ratio)의 RMS 값인 6.2 x 10^-4는 PD로 결정되는 스펙트럼 적분 소광비(spectrally integrated extinction ratio)와 훌륭하게 부합한다. 상기 소광비와 하나의 암에서 평균 파워인 3.5 mW에 대해서, 계산된 샷 노이즈 파워(shot noise power)인 2 x 10^-4 mW는 상쇄 포트에서 파워보다 40배 낮다.

도 8a는 225 mbar의 메탄에 대한 방사선 소스의 스펙트럼 범위 내에서 메탄 공진을 나타낸다. 차이 신호(difference signal)에서, 메탄 분자의 공진 응답은 코히어런트 방출(coherent emission)로 나타난다. 검정색 파선은 PNNL 데이터베이스의 스펙트럼 흡광도(absorbance)를 기반으로 계산된 기준 곡선이다. 도 8b는 감소하는 메탄 압력에 대해서, 차단된 기준 암(blocked reference arm)으로 측정한 3가지 주요 공진(dominant resonances)을 나타낸다. 외측 음영 영역은 평균값을 중심으로 한 15가지 기준 측정(reference measurements)의 표준 편차이다. 내측 음영 영역은 간섭계 출력을 OSA로 연결하는 단일 모드 섬유의 출력에서 측정된 적분 절대 강도 노이즈(integrated absolute intensity noise)이다. 검정색 파선은 PNNL 데이터를 이용하여 계산된 LOD이다. 도 8c는 감소하는 메탄 압력에 대해서, 샘플 및 기준 암을 상쇄 간섭시켜 측정된 동일한 공진을 나타낸다. 외측 음영 영역은 평균값을 중심으로 하여 메탄 없는 상쇄 간섭의 15가지 기준 측정의 표준 편차이다. 내측 음영 영역은 소광비에 의해 감소된 적분 절대 강도이다. 검정색 파선은 PNNL 데이터를 이용하여 계산된 LOD이다.

광대역 분광법에서 감도를 높이기 위한 광대역 간섭계 널링(broadband interferometric nulling)의 잠재성을 입증하기 위해서, 본 발명자들은 메탄 흡수 분광법(methane absorption spectroscopy)을 수행했다. 이를 위해, 본 발명자들은 동일한 가스셀을 간섭계의 각각 암에 배치하였다. 밀폐된 셀 GC는 8 cm 길이의 빔 경로를 둘러싸고 있는 1-mm 용융-실리카 윈도우(fused-silica window) 2개로 구성된다. 가스셀 GC 중 하나(샘플)는 메탄으로 채워져 있고; 다른 하나(기준 샘플)는 외기(ambient air)로 채워져 기준으로 사용된다.

본 발명은 이러한 셀의 배열에 한정되지 않는다. 일반적으로 다른 샘플 용기 또는 다른 샘플, 예를 들어, 조사된(investigated) 광학 소자 같은 제품이 방사선-물질의 상호작용을 분석하거나 방사선-물질의 상호작용을 기반으로 하는 샘플을 특성화하기 위해 제공될 수 있다.

도 8a는 샘플 셀 내부의 225 mbar의 메탄이 있는 간섭계 구성에서 측정된 소스의 스펙트럼 범위 내에 있는 메탄의 진동 배음 밴드(vibrational overtone band) 2υ₃[17]에서의 공진을 나타낸다. 분자 진동으로 전달되는 작은 부분 에너지(fraction energy)까지, 메탄 샘플의 순간 응답은 여기와 동일하므로, 기준 암에서 여기 펄스(excitation pulse)와 상쇄 간섭한다. 따라서, 다른 포트에서 신호는 주로 메탄 분자로부터 방출된 분리 공진 응답(the isolated, resonant response)을 포함한다 [18]. 비교를 위해, 도 8a는 PNNL(the Pacific Northwest National Laboratory) 데이터베이스의 스펙트럼 흡광도를 기반으로 하는 기준 곡선을 도시하였고, 이는 측정된 데이터와 충분히 일치한다. PNNL 데이터베이스의 십진제 흡광도(decadic absorbance)는 I ₀(λ)(1 - T(λ))로 변환된다. 이때, I ₀(λ)는 기준 암에 포함된 강도이고, T(λ)는 샘플의 투과도(transmission)이다. 논리적으로, 이 식은 측정된 차이 신호(difference signal)에 해당된다.

검출 한계를 결정하기 위해, 1642 내지 1650 nm 범위에서 세가지 주요 메탄 공진(dominant methane resonances)이 감소하는 메탄 농도에 대하여 관찰되었다. 도 8b는 기준 암이 차단된 직접 투과 구조(direct transmission geometry)에 대한 결과를 나타낸다. 여기서, 순간 샘플 응답 및 위상-변이 공진 샘플 응답(phase-shifted, resonant sample response)의 간섭은 그 자체가 공진 주파수에서 PSD의 고갈(depletion)로 나타난다. (즉, 고전 분광법에서 “흡수(absorption)”) 도 8c는 간섭계 구성에 대한 결과를 나타낸다. 여기서, 분자 응답(molecular response)은 공진 주파수로부터의 코히어런트 방사선(coherent radiation)의 공간적으로 분리된 방출로 나타난다. 두 구성에서의 피크 높이를 비교하면, 거의 모든 흡수 방사선이 분자에 의해 코히어런트 방사선으로 재방출된다는 점이 드러난다. 보이트 프로파일(Voigt profile) (이러한 실험 조건하에서 예상되듯이)에서 측정된 선 모양의 편차는 OSA의 제한된 분해능으로 설명될 수 있다.

두 경우 모두에서, 검출 한계(the limit of detection, LOD)를 결정하기 위해, 본 발명자들은 각각 구성에서 감도를 제한하는 요인을 조사했다. 메탄이 없는 15가지 기준 측정의 표준 편차를 계산하여, 본 발명자들은 각각 단일 측정의 측정 불확실성(measurement uncertainty)을 추정했다. 상기 값을 LOD의 하한값으로 취하여, 본 발명자들은 직접 투과 구조와 간섭계 구성에 대한 3 mbar, 0.04 mbar의 값을 각각 결정했다. 이 경우의 LOD는 메탄 압력 제어에 있어서 제한된 정밀도에 의한 하한값이기 때문에 실험적으로 결정된 값들은 각각 5 mbar, 0.5 mbar이다.

관찰된 변동의 원인을 특성화하기 위해, 본 발명자들은 OSA와 연결되는 섬유 전후의 레이저의 상대 강도 노이즈(relative intensity noise; RIN)를 측정했다. 측정 결과, 1 Hz 부터 1 MHz까지 적분한 RIN RMS는 섬유 전 0.25% 및 섬유 후 0.79%였다. 섬유 후 증가된 값은 섬유 커플링(fiber coupling)시 강도 변동으로 변환된 빔 포인팅 변동에 의해 설명될 수 있다. 도 8b는 직접 투과 구조에서 강도 변동은 노이즈의 주요 원인임을 보여준다. 간섭계 구성에서, RIN은 주요 노이즈 원인으로서 간섭계 변동(interferometer fluctuations)의 우세를 유도하는 소광비의 2배로 감소된다.

결론적으로, 본 발명자들은 유사-마하-젠더 간섭계와 간섭계 딥 널링(interferometric deep nulling) 및 광대역 대역폭의 전례 없는 조합을 제시하였다. 본 발명자들은 최소 검출 가능 농도(minimal detectable concentration)를 제한하는 과도한 강도 노이즈(excessive intensity noise)의 강한 억제를 통해 흡수 분광법(absorption spectroscopy)에 대한 두자릿수의 감도 개선을 증명하였다. 미래에는, 광학 장치(optics)의 품질(표면, 평행도, 두께)을 최적화하고, 고정밀 전동 키네마틱 마운트(high-precision, motorized, kinematic mounts)를 배열에 사용하며, 공기 변동을 회피하기 위해 진공에서 시스템을 작동하여, 샷-노이즈의 한계까지 LOD를 이끌어낼 수 있다.

본 발명의 이러한 테스트에서 매우 다양한 적용에 대한 신규한 개념의 적합성을 증명한다. 흡수 분광법은 제시된 감도 증가로부터 직접적인 이점을 가진다. 예를 들어, 주파수-빗 분광법(frequency-comb spectroscopy) [19, 20]과의 조합은 전례없는 감도와 스펙트럼 분해능의 조합을 보장한다. 또 다른 예는 시간-분해 검출(time-resolved detection) [21, 22, 23, 24]과의 조합으로서, 충동 여기(impulsive excitation)로부터 후자의 공간적 분리 및 시간적 분리(spatial and temporal separartion)를 통해 분자 지문(molecular fingerprints)의 완전 무배경 검출(fully background-free detection)을 보장한다.

이하, 본 발명의 구성에 대한 일반적인 설계의 고려 사항이 요약되어 있으며, 이는 단일 발명 특징 또는 임의의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

- 간섭계는 빔 분리 및 빔 결합을 위해 판상형이고 3-mm 두께를 가지는 NBK7 윈도우를 사용한다. (도 5(a))

- 기판의 두께 및 물질은 s-편향 입력 빔(s-polarized input beam)과 60°의 입사각(angle of incidence, AOI)에 대해 약 20%의 반사율을 갖고 원치 않는 반사의 공간 필터링을 위해 제1 및 제2 표면으로부터의 반사 사이에 적절한 공간적 분리를 갖도록 선택되었다.

- 소스는 예를 들어, 56 MHz의 반복률(repetition rate)과 1550 nm 중심으로 300 mW의 평균 파워를 가지는 상용 어븀 섬유 발진기이다.

- 상용 레이저 시스템의 출력은 고비선형 섬유 (상세한 내용은 [28] 참조)에서 950 내지 2100 nm 범위에 걸쳐 11 fs 펄스로 압축된다.

- 간섭계의 상부 포트(upper port)로 들어가는 빛은 암 1 내 빔 분리기의 제1 표면 및 암 2 내 빔 결합기의 제2 표면으로부터 반사된다.

- 암 1에서 빛은 암 2 내 제2 표면으로부터의 반사로 인한 추가 물질 통로를 보정하기 위해서 6 mm 두께의 NBK7 윈도우를 통과한다.

- 간섭계의 상부 포트에서 암 2 및 암 1로부터의 빛은 상쇄 간섭한다. 암 1에서 빔 분리기로부터의 반사가 광학적으로 덜 밀한 물질(공기)에서 광학적으로 더 밀한 물질(NBK7)으로의 경계에서 발생하기 때문이다. 그 결과, π의 위상 변화가 발생한다.

- 반면, 암 2에서 빔 결합기로부터의 반사는 광학적으로 더 밀한 물질(NBK7)과 광학적으로 덜 밀한 물질(공기) 사이의 경계에서 발생하고 위상 변화를 초래하지 않는다.

- 간섭계의 하부 포트(lower port)에서 암 2 및 암 1로부터의 빛은 보강 간섭한다. 암 2에서 빛이 두번 투과되고, 암 1에서 빛이 빔 분리기와 빔 결합기의 제1 표면 각각으로부터 반사된다.

⇒ 두 암 사이의 위상차는 2π이다.

- 상기 반사가 에탈론 효과(etalon effects)를 피하기 위해, 각 윈도우 후 수직 레이저 날(vertical razor blade)로 공간적으로 여과(spatially filter)된다.

- 두 암이 같은 광학 경로 길이를 가지면, 간섭계는 광대역 간섭만을 보여준다.

- 이는 압전 변환기(PZT)로 암 1의 길이를 제어하는 액티브 피드백 루프(active feed-back-loop)를 통해 보장된다.

- 피드백 루프에 대한 H

nsch-Couillaud [29] 오류 신호는 독립적인 보조 레이저로(cw 레이저, 20 mW, 1550 nm에서)부터 발생된다. 이때, 상기 보조 레이저는 빔 높이의 옵셋을 가지고, 정확하게 어븀-발진기(erbium-oscillator)의 빔 경로를 따른다.

- 암 2에서의 두번의 투과와 암 1에서의 두번의 반사 후 두 암이 보강 포트에서 다른 편광을 가지기 위해 상기 보조 레이저의 입력 편광(input polarization)은 45°이다.

- 동일한 암 길이외에 간섭계 내의 광학 소자의 배열은 광대역 간섭에 있어서 매우 중요하다.

- 이상적으로는, 간섭계의 모든 광학 소자는 서로 평행해야 한다.

- 이는 상쇄 포트에서 두 암의 강도가 균형 잡히는 점과 모든 NBK7 윈도우에 대한 AOI가 동일하기 때문에 분산 효과가 동일한 점을 보장한다.

- 모든 광학 소자가 평행하다면, 빔 포인팅의 불안정성으로 인한 변동 또한 최소화된다. 두 암에서의 빔 경로가 정확하게 미러링되고(mirrored), 두 암의 공간 중첩이 영향 받지 않기 때문이다.

상술한 설명, 도면 및 청구항에 개시된 본 발명의 특징은 다양한 실시예에서 본 발명의 실현을 위해 개별적으로뿐만 아니라 조합 또는 서브조합으로도 의미있게 실현될 수 있다. 본 발명은 전술한 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 오히려 본 발명의 개념을 이용한 복수의 변형 및 파생이 가능하며 모두 보호 범위에 속한다. 추가로, 본 발명은 종속항이 인용하고 있는 청구항이나 특징과는 무관하게 종속항의 대상과 특징에 대해 독립적인 보호를 주장한다.

Claims

이중 빔 경로 간섭계를 가지며, 전자기장의 수색성 간섭 중첩을 위해 구성되는 간섭계 장치에 있어서,
입력 빔을 적어도 하나의 편향 거울을 포함하는 제1 간섭계 암(A1)을 따라 전파하는 제1 빔과 적어도 하나의 편향 거울을 포함하는 제2 간섭계 암(A2)을 따라 전파하는 제2 빔으로 나누기 위해 배치되며, 상기 제1 및 제2 간섭계 암은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 빔 분리기; 및
제1 및 제2 빔을 보강 출력 및 상쇄 출력으로 재결합시키기 위해 배치된 빔 결합기를 포함하며,
빔 분리기 및 빔 결합기의 반사 표면은, 제2 간섭계 암과 비교하여 제1 간섭계 암에서, 광학적으로 밀한 매질에서의 하나의 추가적인 프레넬 반사가 제공되고, 빔 결합기에 의해 재결합될 때, 제1 및 제2 빔의 전자기장의 전파는 상쇄 출력에 대한 두 간섭계 암의 기여도 사이에 파장 독립적인 π의 위상차를 야기하는 방식으로 배치되고,
제1 간섭계 암은 제1 및 제2 간섭계 암에서 색 분산 및 프레넬 손실의 균형을 맞추기 위해 배치된 균형 투과 구성을 포함하는 간섭계 장치.
제 1 항에 있어서,
반대 위상을 갖지 않는 제1 및 제2 간섭계 암 중 적어도 하나에서 전자기장의 전파를 억제하기 위해 배치된 적어도 하나의 공간 필터를 더 포함하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 반사 표면에 배치되는 적어도 하나의 반사 방지 코팅을 더 포함하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학적으로 밀한 매질에서의 추가적인 프레넬 반사가 빔 분리기에서 제공되는 간섭계 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학적으로 밀한 매질에서의 추가적인 프레넬 반사가 빔 결합기에서 제공되는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
광학 경로 길이, 거울 위치, 거울 방향, 빔 분리기 위치, 빔 분리기 방향, 빔 결합기 위치, 빔 결합기 방향, 및 균형 투과 구성 방향 중 적어도 하나를 제어하기 위해 배치된 안정화 장치를 더 포함하는 간섭계 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 안정화 장치는 보강 출력과 상쇄 출력 중 하나에 결합된 피드백 루프 제어를 포함하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이중 빔 경로 간섭계는 진공 환경에 배치되는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 균형 투과 구성은 투명판을 포함하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 간섭계 암은 공간에서 서로 교차하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
입력 빔, 상쇄 출력, 및 보강 출력 중 적어도 하나에 배치된 적어도 하나의 위상 설정 구성을 더 포함하는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 및 제2 간섭계 암에서 전자기장의 횡방향 프로파일을 형성하기 위해 배치된 이미징 광학 장치를 더 포함하는 간섭계 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 이미징 광학 장치는 입력 빔, 상쇄 출력, 및 보강 출력 중 적어도 하나의 전자기장의 횡방향 프로파일을 형성하기 위해 배치되는 간섭계 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 간섭계 장치;
입력 빔을 생성하기 위해 배치된 방사선 소스; 및
상쇄 출력을 검출하기 위해 배치된 제1 검출 장치를 포함하는 간섭 측정 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 방사선 소스는 제1 및 제2 간섭계 암의 광학 경로 길이 이상의 가간섭 길이를 갖는 펄스 레이저 또는 열 방사 소스를 포함하는 간섭 측정 장치.
제 14 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
보강 출력을 검출하기 위해 배치된 제2 검출 장치를 더 포함하는 간섭 측정 장치.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 간섭계 장치 또는 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 간섭 측정 장치를 이용하는 간섭 측정 방법에 있어서,
제1 및 제2 간섭계 암 중 하나에 조사할(to be investigated) 샘플을 배치하는 단계;
제1 및 제2 간섭계 암 중 다른 하나에 기준 샘플을 배치하는 단계;
입력 빔을 생성하고 샘플과 기준 샘플에 조사(irradiating)하는 단계; 및
빔 결합기의 보강 출력 및 상쇄 출력 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 포함하는 간섭 측정 방법.
제 17 항에 있어서,
전자기장의 수색성 간섭 감산을 포함하는 간섭 측정 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
전자기장의 수색성 간섭 합산을 포함하는 간섭 측정 방법.