KR20220040072A - Multipass gas cell - Google Patents
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Abstract
Description
아래의 실시예들은 다중경로 가스 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제한된 공간에 빔이 진행할 수 있는 경로를 확대한 다중경로 가스 셀에 관한 것이다. The following embodiments relate to a multipath gas cell, and more particularly, to a multipath gas cell in which a path through which a beam can travel in a limited space is enlarged.
가스(Gas) 감지는 다양한 독성 또는 폭발성 가스의 분자 검출, 환경 오염물질의 대기 감시, 의료 질병의 호흡기 분석과 같은 용도에 있어서 학문적 측면뿐만 아니라 산업적으로도 중요한 연구 대상이다. 마이크로파, 테라헤르츠, 적외선, 광학 감지 방법은 가스 감지의 분해능과 검출 주파수 범위를 개선하기 위해 개발되었다. 저압(대기압)과 긴 경로는 각각 압력 확대를 피하면서 "지문" 흡수를 최적화하는 데 필요하다. 1942년 White가 다중경로 가스 셀을 도입한 후, White 셀은 매우 적은 양의 가스를 탐지하고 분석하기 위해 사용되었다. 종래에 길이 2.4m에 영상 개구부가 3mm이고 1010~1053cm-1 영역을 사용하여 약 150m의 흡수 경로 길이를 달성할 수 있는 변형 White 셀을 도입되었다. 또한, White 셀과 수은등 소스의 24m 최적 광 경로를 사용하여 원적외선 지역의 수증기 연속체에 관한 정보가 발표되었다. 그리고, 0.792~0.859THz 대역폭을 가진 25m 길이의 White 셀을 시연하기도 했다. Gas detection is an important research subject not only academically but also industrially for applications such as molecular detection of various toxic or explosive gases, atmospheric monitoring of environmental pollutants, and respiratory analysis of medical diseases. Microwave, terahertz, infrared, and optical sensing methods have been developed to improve the resolution and detection frequency range of gas sensing. Low pressure (atmospheric pressure) and long paths are each needed to optimize "fingerprint" absorption while avoiding pressure build-up. After White introduced the multipath gas cell in 1942, the White cell was used to detect and analyze very small amounts of gas. Conventionally, a modified white cell having a length of 2.4 m, an image opening of 3 mm, and an absorption path length of about 150 m using an area of 1010 to 1053 cm -1 was introduced. In addition, information on the water vapor continuum in the far-infrared region using a 24 m optimal light path from a white cell and a mercury lamp source has been published. In addition, a 25m-long white cell with a bandwidth of 0.792~0.859THz was demonstrated.
한편, 빔은 두 개의 미러(거울) 사이에서 다중 반사될 수 있기 때문에 Fabry-Perot THz cavity 시스템(비특허문헌 1)을 사용하여 빔 경로를 확장할 수 있다. 종래에 Fabry-Perot THz cavity 시스템을 사용하여 0.440~0.660 THz 대역폭으로 빔을 1km 경로 길이까지 확장할 수 있었다. 대부분의 긴 경로 셀은 지름이 몇 mm인 적외선이나 광학 영역을 사용했는데, 이는 작은 빔 직경이 셀에 들어가 밖으로 나갈 때 입사각을 줄이는데 필수적이기 때문이다. THz 파장은 파장이 길고 빔 크기가 크기 때문에 원거리 빔 경로를 가진 THz 다중경로 가스 셀을 만들기 어렵다. 그러나, 최근에는 250GHz의 THz 주파수를 사용한다. 이에 따라 경로 길이 1.9m, 외경 21.5cm의 다중경로 가스 셀이 도입되었다. On the other hand, since the beam can be reflected multiple times between two mirrors (mirrors), the beam path can be extended using the Fabry-Perot THz cavity system (Non-Patent Document 1). Conventionally, using the Fabry-Perot THz cavity system, the beam can be extended to a path length of 1 km with a bandwidth of 0.440 to 0.660 THz. Most long-path cells used infrared or optical fields with a diameter of a few millimeters, since a small beam diameter is essential to reduce the angle of incidence as it enters and exits the cell. Because the THz wavelength has a long wavelength and a large beam size, it is difficult to make a THz multipath gas cell with a far beam path. However, recently, a THz frequency of 250 GHz is used. Accordingly, a multipath gas cell with a path length of 1.9 m and an outer diameter of 21.5 cm was introduced.
많은 가스의 회전과 진동 모드가 THz 영역에 있기 때문에, 과학자들은 가스 감지를 연구하기 위해 THz 시간 영역 분광학(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)을 사용해 왔다(비특허문헌 2). 대부분의 THz-TDS 시스템은 짧은 경로의 가스 셀을 가지고 있기 때문에, 예를 들어 0.183, 0.325, 0.380, 0.448, 0.475 THz에서 수분 흡수선이 약한 가스 공진을 감지할 수 없다. 1THz 이하의 가장 강한 수분 흡수선은 0.557THz로 보통 1m THz의 전파 길이를 갖는 전통적인 THz-TDS 시스템을 사용하여 검출할 수 있다. 최근 THz 원거리 시스템의 개발로 인해 5개의 수분 흡수선이 검출되었다. 그러나, THz 펄스는 대기를 통해 전파되기 때문에 빔 경로에서 저밀도 기체의 특성을 측정하기가 매우 어렵다. 게다가, 일부 수증기 공진은 대기에 있는 다른 기체의 특성을 보여주기에는 너무 강하다. 따라서 THz-TDS가 가스 공진을 감지하기 위해서는 수증기 밀도를 조절할 수 있는 긴 경로의 가스 셀이 필요하다.Since many gas rotation and vibration modes are in the THz region, scientists have used THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) to study gas sensing (Non-Patent Document 2). Since most THz-TDS systems have short-path gas cells, for example, at 0.183, 0.325, 0.380, 0.448, and 0.475 THz, the water absorption line cannot detect weak gas resonances. The strongest water absorption line below 1 THz is 0.557 THz, which can be detected using a traditional THz-TDS system with a propagation length of usually 1 m THz. Due to the recent development of THz far-field systems, five water absorption lines were detected. However, since THz pulses propagate through the atmosphere, it is very difficult to measure the properties of low-density gases in the beam path. Moreover, some water vapor resonances are too strong to characterize other gases in the atmosphere. Therefore, in order for THz-TDS to detect gas resonance, a long-path gas cell with controllable water vapor density is required.
한편, 아산화질소(N2O)는 THz 빔이 N2O 분자를 여기(excitation)시키고 N2O 가스에 의해 재방사된 자유유도 붕괴를 감지할 수 있기 때문에 THZ 주파수 영역의 일관성 있는 효과 연구에 흥미로운 기체이다. N2O 가스는 대기압에서 상대적으로 지문 스펙트럼이 약하기 때문에 측정 신호가 고도로 민감하지 않을 경우 시간 영역에서 일관성 있는 순간적 에코 신호를 검출하기 위해 높은 가스 압력이 요구된다. THZ 빔 경로가 충분히 길면 감도를 극적으로 개선할 수 있어 대기압에서도 N2O 에코 THz 펄스를 측정할 수 있다. On the other hand, nitrous oxide (N 2 O) is useful for coherent effect studies in the THZ frequency domain because the THz beam excites N 2 O molecules and can detect free-induced decay re-radiated by N 2 O gas. It's an interesting gas. Since N 2 O gas has a relatively weak fingerprint spectrum at atmospheric pressure, a high gas pressure is required to detect a coherent instantaneous echo signal in the time domain when the measurement signal is not highly sensitive. A sufficiently long THZ beam path can dramatically improve sensitivity, allowing measurement of N 2 O echo THz pulses even at atmospheric pressure.
실시예들은 다중경로 가스 셀에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 한 쌍의 미러 또는 렌즈를 이용하여 상하로 반사되어 돌아온 후 다시 각도를 두 배로 하여 상하 반복하여 반사되도록 함으로써 빔의 반사 횟수를 증대시키는 기술을 제공한다. The embodiments describe a multi-path gas cell, and more specifically, a technique of increasing the number of reflections of a beam by repeatedly reflecting up and down by doubling the angle again after being reflected up and down using a pair of mirrors or lenses provides
실시예들은 THz 빔 경로를 넓은 대역폭으로 거리를 확장하기 위해 원거리 다중경로 가스 셀을 제공하며, 대기압에서 낮은 가스 농도로 N2O 가스 공진도를 측정할 수 있는 다중경로 가스 셀을 제공하는데 있다. Embodiments provide a long-distance multipath gas cell to extend a THz beam path to a wide bandwidth, and provide a multipath gas cell capable of measuring N 2 O gas resonance at a low gas concentration at atmospheric pressure.
일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀은, 가스 셀의 하우징 내에 서로 대향되게 배치되어, 복수개의 미러를 통해 입사되는 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키는 한 쌍의 미러 세트를 포함하고, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열은, 상기 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러; 및 상기 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러를 포함하며, 상기 입사되는 빔이 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. The multi-path gas cell according to an embodiment includes a pair of mirror sets disposed to face each other in a housing of the gas cell and multi-reflecting a beam incident through a plurality of mirrors in a zigzag form, the pair of Each row of mirror sets comprises: a plane mirror forming multiple reflections of the beam; and a redirection mirror for changing the direction of the beam, wherein the incident beam is reflected by the plane mirror and the redirection mirror at least once to increase the number of reflections to enlarge the traveling distance of the beam can
상기 평면 미러는, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 상기 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시킬 수 있다. The plane mirror may be disposed in the middle of each column of the pair of mirror sets, and may reflect the beam multiple times in a zigzag form.
상기 방향 전환 미러는, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 상기 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. The direction changing mirror may be disposed above and below each column of the pair of mirror sets to change the direction of the beam.
상기 방향 전환 미러는, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 각각 두 개씩 배치되어, 두 개의 빔 경로의 상기 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. The direction changing mirrors may be disposed at an upper side and a lower side of each column of the pair of mirror sets, respectively, to change the direction of the beam in two beam paths.
상기 방향 전환 미러는, 구면 미러(spherical mirror) 또는 렌즈로 이루어져 빔 경로의 길이가 확대됨에 따라 빔 폭이 증가되는 것을 방지할 수 있다. The direction changing mirror may be formed of a spherical mirror or a lens to prevent an increase in a beam width as a length of a beam path is enlarged.
상기 한 쌍의 미러 세트는, 상기 하우징 내에 적어도 둘 이상의 세트로 구성되어, 상기 입사되는 빔이 상기 한 쌍의 미러 세트를 상하 방향으로 다중 반사한 후, 다른 한 쌍의 미러 세트로 이동하여 상하 방향으로 다중 반사하도록 할 수 있다. The pair of mirror sets are composed of at least two sets in the housing, and after the incident beam multi-reflects the pair of mirror sets in the vertical direction, it moves to the other pair of mirror sets in the vertical direction. can be multi-reflected.
일례로, 상기 한 쌍의 미러 세트는, 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 상기 입사되는 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로; 및 상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로를 가질 수 있다. For example, the pair of mirror sets may include a first beam path having at least two or more beam paths, in which the incident beam is reflected in a zigzag form from the lower side to the upper side and then is reflected again in a zigzag form from the upper side to the lower side; and a second beam path in which the beam moving along the first beam path is reflected in a zigzag form from the lower side to the upper side and then is reflected again in a zigzag form from the upper side to the lower side.
다른 예로, 상기 한 쌍의 미러 세트는, 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 상기 입사되는 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로; 및 상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로를 가질 수 있다. As another example, the pair of mirror sets may include: a first beam path having at least two or more beam paths, in which the incident beam is reflected in a zigzag form from the upper side to the lower side, and then is reflected again in a zigzag form from the lower side to the upper side; and a second beam path in which the beam moving along the first beam path is reflected in a zigzag form from the upper side to the lower side and then is reflected again in a zigzag form from the lower side to the upper side.
상기 한 쌍의 미러 세트는, 상기 입사되는 빔이 상기 제1 빔 경로를 따라 소정 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하고, 상기 제2 빔 경로를 따라 상기 제1 빔 경로와 다른 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성할 수 있다. The pair of mirror sets configures the plane mirror and the redirection mirror so that the incident beam is reflected at a predetermined angle along the first beam path, and includes the first beam path along the second beam path and It is possible to configure the plane mirror and the direction change mirror to be reflected at different angles.
상기 한 쌍의 미러 세트는, 상기 입사되는 빔이 상기 제1 빔 경로를 따라 소정 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하고, 상기 제2 빔 경로를 따라 상기 제1 빔 경로의 각도의 두 배의 크기로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성할 수 있다. The pair of mirror sets constitute the plane mirror and the redirection mirror so that the incident beam is reflected at a predetermined angle along the first beam path, and the first beam path along the second beam path. The plane mirror and the redirection mirror may be configured to reflect twice the angle.
상기 한 쌍의 미러 세트는, 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 상기 입사되는 빔이 평면에서 별 모양으로 다중 반사되는 제1 빔 경로; 및 상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 한층 위 평면으로 이동하여 다시 별 모양으로 다중 반사되는 제2 빔 경로를 포함할 수 있다.The pair of mirror sets may include: a first beam path having at least two beam paths and multiple reflections of the incident beam in a star shape on a plane; and a second beam path in which the beam moved along the first beam path moves to a higher plane and is then multi-reflected in a star shape again.
상기 다중경로 가스 셀은 특정 길이 이상으로 THz 빔, 광학 빔 및 마이크로파 빔 중 적어도 어느 하나 이상의 전자기파 빔 경로의 거리를 확장시켜 대기압, 고압 및 진공 환경의 아산화질소(N2O) 또는 수증기(water vapor) 가스의 흡광도(absorbance) 및 흡수계수(absorption coefficient)와 전파감쇄(attenuation)를 측정할 수 있다. The multi-path gas cell extends the distance of the electromagnetic wave beam path of at least any one of a THz beam, an optical beam, and a microwave beam to a specific length or more, so that nitrous oxide (N 2 O) or water vapor in atmospheric pressure, high pressure and vacuum environment ) can measure the absorbance, absorption coefficient, and attenuation of the gas.
THz-TDS(THz time-domain spectroscopy) 시스템에서 상기 다중경로 가스 셀로 THz 빔을 입사 후 나오는 빔을 수신하여 가스 감지를 수행할 수 있다. In a THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system, a THz beam is incident on the multi-path gas cell and then a beam emitted can be received to perform gas detection.
다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀은, 내부가 비어 있는 기둥 형상의 가스 셀의 하우징; 상기 하우징의 내주면 측에 서로 대향되게 배치되어, 복수개의 미러 또는 렌즈를 통해 입사되는 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키는 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트를 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트를 통해 빔의 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. A multi-path gas cell according to another embodiment includes a housing of a columnar gas cell with an empty interior; and at least one pair of mirror sets disposed to face each other on the inner circumferential side of the housing and multi-reflecting a beam incident through a plurality of mirrors or lenses in a zigzag form, wherein the at least one pair of mirror sets By increasing the number of reflections of the beam, the traveling distance of the beam can be expanded.
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열은, 상기 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러; 및 상기 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러를 포함하며, 상기 입사되는 빔이 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. Each column of the pair of mirror sets comprises: a plane mirror forming multiple reflections of the beam; and a redirection mirror for changing the direction of the beam, wherein the incident beam is reflected by the plane mirror and the redirection mirror at least once to increase the number of reflections to enlarge the traveling distance of the beam can
상기 평면 미러는, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 상기 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시킬 수 있고, 상기 방향 전환 미러는, 상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 상기 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. The plane mirror is disposed in the middle part of each column of the pair of mirror sets, so that the beam can be reflected multiple times in a zigzag form, and the redirecting mirror is located above and below each column of the pair of mirror sets. It is disposed in, it is possible to change the direction of the beam.
실시예들에 따르면 한 쌍의 미러 또는 렌즈를 이용하여 상하로 반사되어 돌아온 후 다시 각도를 두 배로 하여 상하 반복하여 반사되도록 함으로써 빔의 반사 횟수를 증대시키는 다중경로 가스 셀을 제공할 수 있다. According to embodiments, it is possible to provide a multi-path gas cell that increases the number of reflections of a beam by repeatedly reflecting up and down by doubling the angle again after being reflected up and down using a pair of mirrors or lenses.
도 1은 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 빔 경로 및 다중경로 가스 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 Tx에서 Rx까지 THz 빔 경로를 사용하는 다중경로 가스 셀의 설정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀에 구성된 한 쌍의 미러에 의한 다중 반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 아크릴 실린더를 덮은 다중통로 가스 셀의 사진을 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 다중통로 가스 셀 내 빔 전파 THz 펄스를 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 THz 펄스의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 주파수 함수로서 측정된 가스 농도를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 가스 농도에 따른 흡광도를 나타내는 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 평면도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 사시도를 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a plan view of a multipath gas cell according to an embodiment.
2 is a view for explaining a beam path according to an embodiment.
3 is a view for explaining a beam path and a multipath gas cell according to an embodiment.
4 is a view for explaining the configuration of a multipath gas cell using a THz beam path from Tx to Rx according to an embodiment.
5 is a view for explaining multiple reflection by a pair of mirrors configured in a multipath gas cell according to an embodiment.
6 shows a photograph of a multi-pass gas cell covering an acrylic cylinder according to one embodiment.
7 illustrates a beam propagating THz pulse in a multipass gas cell according to one embodiment.
8 is a diagram illustrating a measurement result of a THz pulse according to an exemplary embodiment.
9 is a diagram illustrating a gas concentration measured as a function of frequency according to an exemplary embodiment.
10 is a diagram illustrating absorbance according to gas concentration according to an exemplary embodiment.
11 is a diagram schematically illustrating a plan view of a multipath gas cell according to another embodiment.
12 is a diagram schematically illustrating a perspective view of a multipath gas cell according to another embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.
아래의 실시예들은 다중경로(multipass) 가스 셀에 관한 것으로, 다중경로 가스 셀을 구성하여 제한된 공간에 빔이 진행할 수 있는 경로(거리)를 획기적으로 확대시킬 수 있다.The following embodiments relate to a multipass gas cell, and by configuring the multipass gas cell, a path (distance) through which a beam can travel in a limited space can be remarkably expanded.
특히, 실시예에 따르면 빔 경로를 18.61m까지 확장하는 원거리 다중경로 가스 셀을 제공하며, THz 빔은 직경 32cm, 높이 54cm 이내의 다중 반사를 보여준다. 실시예들에 따른 다중경로 가스 셀의 매우 긴 전파 THz 빔 경로로 인해, 아산화질소(N2O)의 흡광도(absorbance)과 흡수계수(absorption coefficient)는 0.2 ~ 1.2THz 대역폭에서 매우 민감하게 측정할 수 있다. 가스 농도는 흡수를 위해 측정된 THz 펄스에서 결정할 수 있다. 기압에서 기체 농도가 1.0에서 8.3%로 순차적으로 증가하면서 흡수선도 순차적으로 증가했다. 결과 흡수율과 전환 빈도는 HITRAN 데이터베이스로 수행된 실험과 계산 사이에 양호한 일치성을 보였다.In particular, the embodiment provides a far-field multipath gas cell extending the beam path to 18.61 m, and the THz beam shows multiple reflections within a diameter of 32 cm and a height of 54 cm. Due to the very long propagation THz beam path of the multipath gas cell according to the embodiments, the absorbance and absorption coefficient of nitrous oxide (N 2 O) can be measured very sensitively in the 0.2 to 1.2 THz bandwidth. can The gas concentration can be determined from the measured THz pulses for absorption. As the gas concentration at atmospheric pressure increased sequentially from 1.0 to 8.3%, the absorption line also increased sequentially. The resulting absorption rates and conversion frequencies showed good agreement between the calculations and experiments performed with the HITRAN database.
도 1은 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 평면도를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a plan view of a multipath gas cell according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 실시예들은 다중경로 가스 셀(110)을 구성하여 제한된 공간 내에서 빔이 진행할 수 있는 경로(거리)를 확대시킬 수 있다. 원통 구조의 면에 반사 미러(mirror) 또는 렌즈(112, 113)를 부착시켜 입사 빔이 각 미러를 여러 번 반사되도록 함으로써 빔이 진행하는 거리를 확대시킬 수 있다. 여기서 하우징(111)은 원통 구조뿐 아니라 사각 또는 다각 기둥 구조로 이루어질 수 있다. 이 때, 거리를 효율적으로 확대시키기 위해 빔이 서로 마주보고 있는 한 쌍의 반사 미러를 상하 방향으로 다중 반사한 후 다음 미러 쌍으로 이동하도록 할 수 있다. 이동된 빔은 같은 과정을 반복하여 전체 거리를 증대시킨 후 셀을 빠져 나오도록 할 수 있다.Referring to FIG. 1 , embodiments may expand a path (distance) through which a beam may travel within a limited space by configuring the
한편, 기존의 White 셀의 경우 두 개의 대형 구면 미러(spherical mirror)를 사용하여 반사 횟수를 충분히 만들지 못하여 경로를 확대하는데 한계가 있다. 반사 횟수를 증대시키기 위해서는 곡률 반경이 매우 큰 대형 미러를 사용해야 하므로 제작이 어려우며 가격 또한 그 크기에 따라 기하급수적으로 증가한다. 또한 반복 횟수를 증가하면 할수록 입사되는 빔과 나오는 빔 사이의 각도가 작아 빔 폭이 큰 경우 사용할 수 없다.On the other hand, in the case of the existing white cell, there is a limit to enlarge the path because the number of reflections cannot be sufficiently made using two large spherical mirrors. In order to increase the number of reflections, it is difficult to manufacture because it is necessary to use a large mirror with a very large radius of curvature, and the price also increases exponentially according to the size. In addition, as the number of repetitions is increased, the angle between the incident beam and the outgoing beam is small, so that it cannot be used when the beam width is large.
따라서 제한된 공간 내에서 수십 또는 수백 미터 거리를 전송할 수 있는 셀을 만들기 위해 반사 횟수를 최대한 확대해야 한다. 하지만 거리를 확대할수록 빔의 폭이 커져서 미러의 크기가 같은 비율로 커져야 한다. 이는 곧 공간적으로 한정된 셀을 제작할 수 없도록 만든다. 입사되는 빔과 나오는 빔 사이의 각도가 충분히 크지 않으면 빔이 셀 내부에서 미러 표면에 반사되는 면적이 중복되어 빔을 분리할 수 없다. 따라서 중복을 피하기 위해 충분히 큰 각도로 빔이 셀에 입사되어야 하는데 이는 곧 셀의 크기가 매우 커야만 한다.Therefore, it is necessary to maximize the number of reflections to create a cell that can transmit tens or hundreds of meters in a limited space. However, as the distance increases, the width of the beam increases, so that the size of the mirror must increase at the same rate. This makes it impossible to fabricate spatially confined cells. If the angle between the incident beam and the outgoing beam is not large enough, the area where the beam is reflected on the mirror surface inside the cell overlaps and the beam cannot be separated. Therefore, the beam must be incident on the cell at a sufficiently large angle to avoid overlap, which means that the size of the cell must be very large.
일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀(110)은 한 쌍의 미러(112, 113)를 이용하여 상하로 반사되어 돌아온 후, 다시 각도를 두 배로 하여 상하 반복하여 반사되도록 함으로써, 빔의 반사 횟수를 증대시켜 제한된 공간에서 수십 또는 수백 미터 거리를 전송할 수 있다. The
일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀(110)은 가스 셀의 하우징(111) 내에 서로 대향되게 배치되어, 복수개의 미러 또는 렌즈(112, 113)를 통해 입사되는 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키는 한 쌍의 미러 세트를 포함할 수 있다. The
한 쌍의 미러 세트의 각 열은 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러(112), 및 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러(113)를 포함할 수 있다. 이에 따라 입사되는 빔이 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. Each column of a pair of mirror sets may include a
보다 구체적으로, 평면 미러(112)는 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시킬 수 있다. More specifically, the
또한, 방향 전환 미러(113)는 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. 예컨대 방향 전환 미러(113)는 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 각각 두 개씩 배치되어, 두 개의 빔 경로의 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. 방향 전환 미러(113)는 구면 미러(spherical mirror) 또는 렌즈로 이루어져 빔 경로의 길이가 확대됨에 따라 빔 폭이 증가되는 것을 방지할 수 있다. Further, the
한 쌍의 미러 세트는 하우징(111) 내에 적어도 둘 이상의 세트로 구성되어, 입사되는 빔이 한 쌍의 미러 세트를 상하 방향으로 다중 반사한 후, 다른 한 쌍의 미러 세트로 이동하여 상하 방향으로 다중 반사하도록 할 수 있다. A pair of mirror sets are composed of at least two sets in the
일례로, 한 쌍의 미러 세트는 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 입사되는 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로(101), 및 제1 빔 경로(101)를 따라 이동한 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로(102)를 포함할 수 있다. 다른 예로, 한 쌍의 미러 세트는 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 입사되는 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로(101), 및 제1 빔 경로(101)를 따라 이동한 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로(102)를 포함할 수 있다. 이러한 한 쌍의 미러 세트는 제1 빔 경로(101), 제2 빔 경로(102), 제3 빔 경로, 제4 빔 경로?? 와 같이 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가질 수 있다. For example, the pair of mirror sets has at least two or more beam paths, and the
이 때, 한 쌍의 미러 세트는 입사되는 빔이 제1 빔 경로(101)를 따라 소정 각도로 반사되도록 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 구성하고, 제2 빔 경로(102)를 따라 제1 빔 경로(101)와 다른 각도로 반사되도록 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 구성할 수 있다. 특히, 한 쌍의 미러 세트는 입사되는 빔이 제1 빔 경로(101)를 따라 소정 각도로 반사되도록 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 구성하고, 제2 빔 경로(102)를 따라 제1 빔 경로(101)의 각도의 두 배의 크기로 반사되도록 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 구성할 수 있다. At this time, the pair of mirror sets constitute the
도 11은 다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 평면도를 개략적으로 나타내는 도면이다. 그리고 도 12는 다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 사시도를 개략적으로 나타내는 도면이다.11 is a diagram schematically illustrating a plan view of a multipath gas cell according to another embodiment. And FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a perspective view of a multipath gas cell according to another embodiment.
또 다른 예로, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 미러 세트는 적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며, 입사되는 빔이, 상하로 지그재그 형태로 반사되는 것이 아니라, 평면에서 별 모양 또는 별 모양과 유사한 형상으로 다중 반사되는 제1 빔 경로(103), 및 제1 빔 경로(103)를 따라 이동한 빔이 한층 위 평면으로 이동하여 다시 별 모양 또는 별 모양과 유사한 형상으로 다중 반사되는 제2 빔 경로를 포함할 수 있다. 또한 제2 빔 경로를 따라 이동한 빔이 한층 위 평면으로 이동하여 다시 별 모양 또는 별 모양과 유사한 형상으로 다중 반사되는 제3 빔 경로를 포함할 수 있고, 이러한 방식으로 제4 빔 경로, 제5 빔 경로?? 를 더 포함할 수도 있다. 도 12에서는 가장 아래층(1층)의 미러들(112)에 의해 반사되는 제1 빔 경로(103)를 도시하였으며, 이후 2층, 3층, 4층으로 점차 올라가며 반사됨에 따라 반사 경로를 확대할 수 있다.As another example, as shown in FIGS. 11 and 12 , a pair of mirror sets has at least two beam paths, and an incident beam is not reflected in a zigzag form up and down, but in a star shape or a star shape in a plane. A
THz-TDS(THz time-domain spectroscopy) 시스템에서 다중경로 가스 셀(110)로 THz 빔을 입사 후 나오는 빔을 수신하여 가스 감지를 수행할 수 있다. 특히, 다중경로 가스 셀(110)은 특정 길이 이상으로 THz 빔, 광학 빔 및 마이크로파 빔 중 적어도 어느 하나 이상의 전자기파 빔 경로의 거리를 확장시켜 대기압, 고압 및 진공 환경의 아산화질소(N2O) 또는 수증기(water vapor) 가스의 흡광도(absorbance) 및 흡수계수(absorption coefficient)와 전파감쇄(attenuation)를 측정할 수 있다. 한편, 다중경로 가스 셀(110)은 THz 빔 경로의 거리를 확장시켜 대기압 환경의 0.2 내지 1.2 THz 대역폭에서 아산화질소(N2O)의 흡광도(absorbance) 및 흡수계수(absorption coefficient)를 측정할 수 있는 것이나, 이에 제한되지 않는다. 즉, 다중경로 가스 셀(110)은 모든 가스에 대해 측정이 가능하다.In a THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system, the THz beam is incident on the
다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀(110)은 하우징(111) 및 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트를 포함할 수 있다. 한편, 다른 실시예에 따른 다중경로 가스 셀(110)은 앞에서 설명한 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀(110)과 그 구성의 설명이 중복되어 간략히 설명하기로 한다.The
하우징(111)은 내부가 비어 있는 원통, 사각 기둥, 다각 기둥 등의 기둥 형상의 가스 셀로 이루어질 수 있다. The
한 쌍의 미러 세트는 하우징(111) 내에 적어도 하나 이상 구성될 수 있으며, 하우징(111)의 내주면 측에 서로 대향되게 배치되어, 복수개의 미러 또는 렌즈를 통해 입사되는 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시킬 수 있다. 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트를 통해 빔의 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. At least one pair of mirror sets may be configured in the
여기서, 한 쌍의 미러 세트의 각 열은 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러(112), 및 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러(113)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이에 따라 입사되는 빔이 평면 미러(112) 및 방향 전환 미러(113)를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대할 수 있다. 평면 미러(112)는 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시킬 수 있다. 방향 전환 미러(113)는 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 빔의 방향을 전환시킬 수 있다. Here, each column of the pair of mirror sets may include a
도 2는 일 실시예에 따른 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a beam path according to an embodiment.
도 2를 참조하면, 반사 횟수를 확대하기 위해 시작된 제1 빔 경로(101)가 한 쌍의 미러를 이용하여 상하로 반사되어 돌아온 후, 다시 각도를 두 배로 하여 제2 빔 경로(102)로 상하 반복하여 반사되도록 하면, 반사 횟수를 1회 반복한 빔 경로 대비 67% 증대시킬 수 있다. 이러한 상하 반복 빔 경로를 3회, 4회 이상 계속 확대하면 반복 횟수 증대가 100% 이상 될 수 있어 거리를 획기적으로 증가시킬 수 있다.Referring to FIG. 2 , after the
도 3은 일 실시예에 따른 빔 경로 및 다중경로 가스 셀을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a beam path and a multipath gas cell according to an embodiment.
도 3의 (a)는 제1 빔 경로(101)의 예를 나타내며, (b)는 반사 각도가 2배 확대된 제2 빔 경로(102)의 예를 나타내며, (c)는 제1 빔 경로(101) 및 제2 빔 경로(102)를 형성하기 위한 미러를 포함하는 다중경로 가스 셀(110)의 예를 나타낸다. 3 (a) shows an example of the
다중경로 가스 셀(110)은 원통 구조의 하우징(111)에 복수개의 평면 미러(112) 및 빔 폭 확대 방지를 위한 방향 전환 미러(113)를 포함할 수 있다. 여기서, 거리가 확대됨에 따라 빔 폭이 증가되는 것을 방지하기 위해, 한 쌍 이상의 구면 미러(113)를 사용하여 빔 폭이 확대하지 못하도록 할 수 있다. 따라서 가운데 부분의 미러는 평면 미러(사각 미러)(112)을 사용하고, 빔 경로 변경 및 빔 폭 확대 방지를 위한 방향 전환용 미러(원형 미러)(113)는 평면 미러(112)의 위 및/또는 아래에 부착하여 사용할 수 있다.The
이와 같이 실시예들은 빔의 반사 횟수를 증대시켜 제한된 공간에서 수십 또는 수백 미터 거리를 전송할 수 있는 셀을 만들 수 있는 기술을 제공할 수 있다. 실시예들은 원거리 다중경로 가스 셀(110)을 통해 THz 빔 경로를 0.2~1.2THz 넓은 대역폭으로 18.61m 거리까지 확장할 수 있으며, 대기압에서 낮은 가스 농도로 N2O 가스 공진도를 측정할 수 있다. As described above, the embodiments may provide a technology capable of making a cell capable of transmitting a distance of tens or hundreds of meters in a limited space by increasing the number of reflections of a beam. Embodiments can extend the THz beam path to a distance of 18.61 m with a wide bandwidth of 0.2 to 1.2 THz through the remote
아래에서는 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀의 실험을 설명한다.Hereinafter, an experiment of a multipath gas cell according to an embodiment will be described.
THz 펄스는 800-nm, 100-fs, 90-MHz 모드 잠금 Ti-Sapphire 레이저에서 180-mW 광전자 소스 칩(optoelectronic source chip)을 사용해 생성될 수 있다. 여기서, 광전자 소스 칩은 나노구조 플라스모닉(nanostructure plasmonic) THz Tx 칩이 사용되었다. Tx 안테나에는 20Vpp의 32 kHz AC 바이어스가 적용되었다. 대역폭을 확대하려면 통신사 수명이 매우 짧은 초단 쌍극 안테나(5μm 길이 쌍극 안테나)와 Rx 칩을 사용해야 한다. 그러나, THz 전자파가 원거리로 전파될 때, 고주파 감쇠는 대기의 연속 흡수에 의해 발생한다. 따라서 LT-GaAs 기질에 길이 100μm의 쌍극 안테나 Rx 칩을 사용하고 쌍극 안테나에서 평균 12mW의 레이저 전력을 사용하여 저주파 THz 신호를 검출했다. 생성된 THz 펄스는 기존의 THz-TDS 시스템에서와 같이 두 포물선 미러 사이에 전파되었다. THz pulses can be generated using a 180-mW optoelectronic source chip in an 800-nm, 100-fs, 90-MHz mode-locked Ti-Sapphire laser. Here, as the photoelectron source chip, a nanostructure plasmonic THz Tx chip was used. A 32 kHz AC bias of 20V pp was applied to the Tx antenna. Broadband bandwidth requires the use of ultra-short dipole antennas (5 μm long dipole antennas) and Rx chips with very short carrier lifetimes. However, when THz electromagnetic waves propagate over long distances, high-frequency attenuation is caused by continuous absorption of the atmosphere. Therefore, we used a 100 μm long dipole Rx chip on an LT-GaAs substrate and detected a low-frequency THz signal using an average laser power of 12 mW in the dipole antenna. The generated THz pulse propagated between the two parabolic mirrors as in the conventional THz-TDS system.
최근 구면 미러(spherical mirror)(비특허문헌 3)를 이용한 원거리 THz 펄스 전파 시스템이 개발되었다. 구면 미러 때문에, THz 빔은 제한적인 분산으로 원거리까지 전파할 수 있다. Recently, a long-distance THz pulse propagation system using a spherical mirror (Non-Patent Document 3) has been developed. Because of the spherical mirror, the THz beam can propagate far distances with limited dispersion.
도 4는 일 실시예에 따른 Tx에서 Rx까지 THz 빔 경로를 사용하는 다중경로 가스 셀의 설정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the configuration of a multipath gas cell using a THz beam path from Tx to Rx according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 Tx에서 Rx까지 THz 빔 경로를 사용하는 다중경로 가스 셀의 설정(setup)을 나타내며, 여기서 제1 빔 경로(101)(빨간색)과 제2 빔 경로(102)(파란색)은 각각 다중경로 가스 셀(110)에서 들어오는 빔과 나가는 빔을 나타낸다. 다중경로 가스 셀(110)에서 점선은 한 쌍의 미러 세트로 다중 반사하는 것을 나타내며, 실선은 원형 거울에 의해 변경된 빔 방향을 나타낸다.4, a setup of a multipath gas cell using a THz beam path from Tx to Rx is shown according to an embodiment, wherein a first beam path 101 (red) and a second beam path ( 102 (blue) represents the incoming and outgoing beams from the
실험을 위해 구면 미러를 사용하여 27.20m 거리 THz 펄스 전파 시스템을 제공할 수 있다. 다중경로 가스 셀(110)은 THz-TDS 시스템(130)에서 약 4m 떨어진 곳에 위치할 수 있다. 다중경로 가스 셀(110)을 산업현장에 설치할 경우 환경에 따라 THz-TDS 시스템(130) 가까이 설치가 불가능할 수 있다. 이를 고려해 다중경로 가스 셀(110)은 광학 테이블(120)의 끝에 충분한 거리를 두고 배치할 수 있다. 모든 THz 빔 경로(101, 102)는 밀폐된 아크릴 상자를 통해 이동한다. 스펙트럼 내 수분 흡수선을 최소화하기 위해 아크릴 박스에 건조한 공기를 공급하고 상대습도 0.4% 미만을 유지하였다.For experiments, a spherical mirror can be used to provide a 27.20 m distance THz pulse propagation system. The
포물선 미러 PM1이 반사하는 THz 펄스는 초점을 공유하는 THz-TDS 시스템(130)에서 미러 M1에 의해 수직으로 결합되었다. 여기서, THz 빔 크기를 작게 유지하기 위해 지름 5.1cm, 초점 길이 7.6cm의 작은 Tx 포물선 미러인 PM1을 사용했다. M1에서 수직으로 반사된 THz 빔은 미러 M2의 수평 반사에 의해 초점 길이 114.3 cm, 그에 상응하는 곡률 반경이 5.4 cm인 구면 미러(SM)로 향하였다. SM의 초점은 PM1 미러(표면 M1)의 초점을 공유하는 THz 빔-waist에 위치한다. 초점 길이가 빔-waist 위치와 일치하지 않고 THz 빔이 광축을 따라 SM과 충돌하지 않으면 SM에 의해 반사된 THz 빔이 완전히 시준되지 않는다. 이러한 조건이 충족되더라도, 낮은 주파수는 높은 주파수(비특허문헌 3)보다 더 많은 회절을 갖는다. SM에서 반사된 빔은 미러 M3에 의해 가스 셀로 향하는데, 크기는 9 Х 12 cm이다.The THz pulses reflected by the parabolic mirror PM1 were vertically coupled by the mirror M1 in the THz-
예컨대, 다중경로 가스 셀(110)은 16개의 원형 미러(6cm 직경)와 8개의 직사각형 미러(8 x 40cm)를 가진 8개의 열로 구성되어 있다. 여기서 원형 미러는 빔 폭 확대 방지를 위한 방향 전환용 미러이고, 직사각형 미러는 평면 미러이다. 각 열은 THz 빔 방향을 바꾸는 원형 미러 2개와 다중 반사를 만드는 직사각형 미러 1개로 구성된다. 그 열은 32 cm 간격으로 반대 방향에 있는 열과 쌍을 이루고 있다. For example, the
도 5는 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀에 구성된 한 쌍의 미러에 의한 다중 반사를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining multiple reflection by a pair of mirrors configured in a multipath gas cell according to an embodiment.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 다중경로 가스 셀에 구성된 한 쌍의 미러에 의한 다중 반사를 나타내며, 두 개의 열로 구성된 한 쌍의 미러 세트의 다중 반사 THz 빔을 보여준다. 입사되는 THz 빔은 제1 빔 경로(101)와 같이 지그재그 형태로 셀 바닥까지 반사된 다음(빨간색), 제2 빔 경로(102)와 같이 지그재그 형태로 다시 위로 올라간다(파란색). THz 빔은 두 열 사이에서 14번 반사된 후 이웃에 있는 다른 미러 세트로 이동된다. 예컨대, 다중경로 가스 셀은 4쌍의 미러 세트로 구성되며 미러는 THz 빔을 총 56회 반사한다. Referring to FIG. 5 , multiple reflections by a pair of mirrors configured in a multipath gas cell according to an embodiment are shown, and multiple reflection THz beams of a pair of mirrors configured in two columns are shown. The incident THz beam is reflected to the bottom of the cell in a zigzag shape like the first beam path 101 (red), and then goes up again in a zigzag shape like the second beam path 102 (blue). The THz beam is reflected 14 times between the two columns and then moved to another set of mirrors in the neighborhood. For example, a multipath gas cell consists of a set of four pairs of mirrors, which reflect the THz beam a total of 56 times.
도 6은 일 실시예에 따른 아크릴 실린더를 덮은 다중통로 가스 셀의 사진을 나타낸다.6 shows a photograph of a multi-pass gas cell covering an acrylic cylinder according to one embodiment.
도 6을 참조하면, 다중통로 가스 셀의 외부에 아크릴 실린더를 덮은 예를 나타내며, 모든 미러는 직경 56 cm, 높이 70 cm의 아크릴 실린더에 위치한다. 아크릴에 의한 빔 손실을 방지하기 위해 THz 빔의 출입용으로 실린더에 구멍을 뚫고, 두께 20mm의 얇은 플라스틱 필름을 부착한다. 다중경로 가스 셀에서 나가는 THz 빔은 M4, M5, M6, 포물선 미러(PM2)에서 반사되어 마침내 Rx에 도착한다. Referring to FIG. 6 , an example in which the acrylic cylinder is covered on the outside of the multi-passage gas cell is shown, and all mirrors are located in the acrylic cylinder having a diameter of 56 cm and a height of 70 cm. To prevent beam loss due to acrylic, a hole is drilled in the cylinder for THz beam entry and exit, and a thin plastic film with a thickness of 20 mm is attached. The THz beam exiting the multipath gas cell is reflected by the M4, M5, M6 and parabolic mirrors (PM2) and finally arrives at Rx.
여기서 Rx 칩에 분산된 THz 빔의 초점을 맞추기 위해 지름 7.6 cm, 초점 길이 16 cm의 대형 PM2를 사용했다. 다중경로 가스 셀의 THz 전파 거리는 18.61m이고 Tx에서 Rx까지의 총 거리는 27.20m이다. M1과 M6 미러를 삽입하여 얻을 수 있는 총 연장 거리는 26.6m이며, 이는 잠금 모드 링 레이저 내에서 순환하는 광학 펄스의 왕복 8회 트립과 거의 같으며, 따라서 샘플링 펄스는 여기 펄스에서 펄스 열로 8회 하강하는 지연을 초래한다.Here, a large PM2 with a diameter of 7.6 cm and a focal length of 16 cm was used to focus the scattered THz beam on the Rx chip. The THz propagation distance of the multipath gas cell is 18.61 m and the total distance from Tx to Rx is 27.20 m. The total extension achievable by inserting the M1 and M6 mirrors is 26.6 m, which is roughly equivalent to 8 round trip trips of an optical pulse circulating within a locked-mode ring laser, so that the sampling pulse falls 8 times from the excitation pulse to the pulse train. causes a delay
아래에서는 N2O 가스 측정에 대해 설명한다.Below, the measurement of N 2 O gas is described.
도 7은 일 실시예에 따른 다중통로 가스 셀 내 빔 전파 THz 펄스를 나타낸다. 7 illustrates a beam propagating THz pulse in a multipass gas cell according to one embodiment.
도 7의 (a)는 8.3 % N2O 가스(파란색 곡선)로 채워지고 N2O 가스가 없는 다중통로 가스 셀 내부에서 빔 전파의 측정된 샘플 THz 펄스를 나타낸다. 건조한 공기로 측정한 기준 펄스는 도 7의 (a)의 하단 검은색 펄스에 표시된 것과 같다. 펄스의 피크 대 피크 진폭은 71.5nA, SNR(Signal to Noise Ratio, 신호 대 잡음비)는 610:1로 THz 가스 분광법을 수행하기에 충분한 값이다. 7(a) shows the measured sample THz pulses of beam propagation inside a multi-pass gas cell filled with 8.3% N 2 O gas (blue curve) and without N 2 O gas. The reference pulse measured with dry air is as shown in the lower black pulse of FIG. 7(a). The peak-to-peak amplitude of the pulse is 71.5 nA, and the signal to noise ratio (SNR) is 610:1, which is sufficient to perform THz gas spectroscopy.
기준 펄스의 수치 Fourier 변환에 의해 얻은 해당 정규화된 진폭 스펙트럼은 도 7의 (b)의 검은색 곡선으로 표시되며, 여기서 THz 대역폭은 약 0.15 - 1.20Tz이다. 한편, 도 7의 (b)에 덧붙인 도면은 THz 빔이 두 포물선 미러 사이에서 직접 전파될 때 THz 스펙트럼을 보여준다. 빔은 저주파 영역에서 강한 진폭 스펙트럼을 가지며 대역폭은 최대 1.2THz이다. 기준 펄스가 낮은 주파수에서 손실되는 이유는 낮은 주파수가 회절 손실이 더 많고, SM의 초점 길이가 짧아 THz 빔이 완벽하게 시준되지 않기 때문이다. 빔이 상대적으로 크고 빔의 크기가 점차 커지기 때문에 SM에 의한 초점 파악이 어렵다. THz 빔 직경은 주파수에 반비례하며, 가우스 THz 빔의 저주파 성분의 직경은 전파 거리가 길어질수록 증가하기 때문에 다중경로 가스 셀의 미러 크기는 THz 빔을 덮기에 충분하지 않다. 가스 셀 입구의 waist 반경은 SM에 대한 각도가 무시되었을 때 0.2와 1.2 THz에서 5.4와 2.7 cm이다. 가스 셀의 원형 미러(직경 3 cm)는 0.2 THz에서 THz 빔의 30.9%만 커버한다. 미러에 의한 이러한 chopping(자르기) 때문에 저주파 영역에서 THz 스펙트럼이 손실된다.The corresponding normalized amplitude spectrum obtained by the numerical Fourier transform of the reference pulse is represented by the black curve in Fig. 7(b), where the THz bandwidth is about 0.15 - 1.20 Tz. On the other hand, the figure appended to (b) of FIG. 7 shows the THz spectrum when the THz beam propagates directly between the two parabolic mirrors. The beam has a strong amplitude spectrum in the low frequency region and the bandwidth is up to 1.2THz. The reason that the reference pulse is lost at low frequencies is because the lower frequencies have more diffraction loss and the SM focal length is short, so the THz beam is not perfectly collimated. Since the beam is relatively large and the size of the beam gradually increases, it is difficult to grasp the focus by SM. Since the THz beam diameter is inversely proportional to the frequency, and the diameter of the low frequency component of the Gaussian THz beam increases as the propagation distance increases, the mirror size of the multipath gas cell is not sufficient to cover the THz beam. The waist radius of the gas cell inlet is 5.4 and 2.7 cm at 0.2 and 1.2 THz when the angle to SM is neglected. The circular mirror (3 cm in diameter) of the gas cell covers only 30.9% of the THz beam at 0.2 THz. Due to this chopping by the mirror, the THz spectrum is lost in the low frequency region.
수분 흡수선을 최소화하기 위해 측정 중 가스 셀에 건조한 공기가 공급된다. 가스 셀의 온도와 상대습도는 각각 22°C와 0.4%이지만, THz 펄스 전파 거리가 멀기 때문에 수증기의 작은 흡수선은 0.557, 0.752, 0.988, 1.097, 1.162THz로 나타난다. 한편, N2O 가스는 대기압에서 약 1.2% 간격으로 1.0 ~ 8.3% 수준으로 셀에 주입되었다. 도 7의 (a)의 파란색 곡선은 8.3% N2O 기체로 측정한 샘플 펄스를 나타낸다. 변형되고 감쇠된 여기 펄스는 일련의 일관된 순간 현상(에코 펄스)이 뒤따르며, 이는 분자 충돌로 인해 급속히 붕괴된다(비특허문헌 2). 덧붙인 도면에는 에코 펄스가 80에서 133 ps로 확장되었음을 나타낸다. 두 번째와 세 번째 에코 펄스가 표시된다. 첫 번째 순간적 현상의 상대 진폭은 여기 펄스와 비교하여 1/2.2이며, 피코세컨드 에코 펄스는 전달된 여기(excitation(main)) THz 펄스로부터 39.9 ps에 나타난다. 일관성 있는 순간적 현상 사이의 시간 간격은 N2O의 회전 흡수 공진도의 역주파수 간격(약 25.1GHz)에 해당한다. N2O 가스 농도는 8.3%에 불과하지만 다중경로 가스 셀을 통과하는 THz 빔 경로가 38.7cm 가스 셀을 통과하는 것보다 48배 길기 때문에 기준 (비특허문헌 4)의 100% N2O 가스 농도보다 흡수 강도가 강하다. 예를 들어, Beer의 법칙에 따르면, 18.61m 길이의 가스 셀에서 8.3%의 농도가 38.7cm 길이의 가스 셀에서는 약 400%이다. 샘플 펄스 스펙트럼의 해당 진폭은 도 7의 (b)에 파란색 곡선으로 표시된다. 첫 번째 검출된 N2O 가스 공진은 전환 J=7→8의 주파수인 0.201 THz에서 발견되며, 1.097 THz 전후의 강한 수분 흡수선과 겹치는 공진을 계산하지 않고 총 36개의 공진을 검출할 수 있다. 0.557, 0.752, 0.988THz의 수분 흡수선이 있지만, 가스 공진이 수분 흡수선보다 강하기 때문에 물 흡수선 근처에서 가스 공진을 감지할 수 있다.Dry air is supplied to the gas cell during measurement to minimize moisture absorption lines. Although the gas cell temperature and relative humidity are 22°C and 0.4%, respectively, the small absorption lines of water vapor appear as 0.557, 0.752, 0.988, 1.097, and 1.162 THz because of the long THz pulse propagation distance. Meanwhile, N 2 O gas was injected into the cell at a level of 1.0 to 8.3% at intervals of about 1.2% at atmospheric pressure. The blue curve in (a) of FIG. 7 represents a sample pulse measured with 8.3% N 2 O gas. The deformed and attenuated excitation pulse is followed by a series of coherent instantaneous phenomena (echo pulses), which rapidly decay due to molecular collisions (Non-Patent Document 2). The accompanying figure shows that the echo pulse is extended from 80 to 133 ps. The second and third echo pulses are shown. The relative amplitude of the first transient is 1/2.2 compared to the excitation pulse, and the picosecond echo pulse appears at 39.9 ps from the delivered excitation (main) THz pulse. The time interval between coherent instantaneous phenomena corresponds to the inverse frequency interval (about 25.1 GHz) of the rotational absorption resonance of N 2 O. Although the N 2 O gas concentration is only 8.3%, since the THz beam path through the multipath gas cell is 48 times longer than that through the 38.7 cm gas cell, the 100% N 2 O gas concentration of the standard (Non-Patent Document 4) stronger absorption strength. For example, according to Beer's law, a concentration of 8.3% in an 18.61 m long gas cell is about 400% in a 38.7 cm long gas cell. The corresponding amplitude of the sample pulse spectrum is indicated by a blue curve in Fig. 7(b). The first detected N 2 O gas resonance is found at 0.201 THz, which is the frequency of transition J=7→8, and a total of 36 resonances can be detected without calculating the resonance overlapping the strong water absorption line around 1.097 THz. Although there are water absorption lines of 0.557, 0.752, and 0.988 THz, gas resonance can be detected near the water absorption line because the gas resonance is stronger than the water absorption line.
도 8은 일 실시예에 따른 THz 펄스의 측정 결과를 나타내는 도면이다.8 is a diagram illustrating a measurement result of a THz pulse according to an exemplary embodiment.
가스 농도의 증가에 따라 빔 경로 내 기체의 비율이 증가하여 도 8의 (a)와 같이 THz 펄스의 흡수가 증가하고 진폭이 감소한다. 한편, 가스 농도 증가에 따라 J에서 J+1 상태로의 회전 전환이 강화되어 도 8의 (b)의 첫 번째 에코 펄스에서와 같이 각 에코 펄스의 진폭이 증가된다. 그러나 가스 농도에 비례하여 주 펄스와 에코 펄스의 시간 지연이 증가한다. 전송된 주 펄스의 시간 지연과 피크 대 피크 진폭은 각각 셀의 가스 양에 비례하고 반비례한다. As the gas concentration increases, the ratio of the gas in the beam path increases, so that the absorption of the THz pulse increases and the amplitude decreases as shown in FIG. 8(a). On the other hand, as the gas concentration increases, rotational transition from J to J+1 is strengthened, so that the amplitude of each echo pulse is increased as in the first echo pulse of FIG. 8B . However, the time delay of the main pulse and the echo pulse increases in proportion to the gas concentration. The time delay and peak-to-peak amplitude of the transmitted main pulse are respectively proportional and inversely proportional to the amount of gas in the cell.
도 8의 (c)는 주 펄스의 시간 지연과 피크 대 피크 진폭의 변화를 보여준다. 가스 농도가 8.3%로 증가함에 따라 전송된 주 펄스의 시간 지연과 피크 대 피크 진폭은 각각 0.2ps/%로 증가하고 3.1nA/%로 감소한다(이는 에코 펄스의 시간 지연과 동일하다). 단, 첫 번째, 두 번째, 세 번째 에코 펄스는 도 8의 (d)와 같이 피크 진폭(peak to amplitude)이 증가한다. 각 에코 펄스의 진폭은 셀에 있는 N2O 분자의 수와 전송된 주 펄스의 진폭에 따라 달라진다. 기체 농도가 증가하면 주 펄스의 진폭이 감소하므로 각 에코 펄스의 성장 속도가 감속된다. 마찬가지로 고차 에코 펄스의 진폭은 저차 에코 펄스의 효과를 결합한다. 이러한 세 가지 이유로 에코 펄스는 증분 특성을 갖는다.Fig. 8(c) shows the time delay of the main pulse and the change in peak-to-peak amplitude. As the gas concentration increases to 8.3%, the time delay and peak-to-peak amplitude of the transmitted main pulse increase to 0.2 ps/% and decrease to 3.1 nA/%, respectively (which is equivalent to the time delay of the echo pulse). However, the peak to amplitude of the first, second, and third echo pulses increases as shown in FIG. 8D . The amplitude of each echo pulse depends on the number of N 2 O molecules in the cell and the amplitude of the transmitted main pulse. As the gas concentration increases, the amplitude of the main pulse decreases, thus slowing the growth rate of each echo pulse. Likewise, the amplitude of the higher-order echo pulses combines the effects of the lower-order echo pulses. For these three reasons, echo pulses have an incremental nature.
시간 영역의 펄스 위치는 셀 내부의 굴절률에만 의존하기 때문에 기체가 순수하고 일정한 압력과 온도에 있다면 시간 지연은 주 펄스 및 모든 에코 펄스에 대한 가스 농도의 증가에 따라 지속적으로 증가한다. 따라서 기준 펄스 및 샘플 펄스 간의 위상 차이는 가스 셀의 가스 농도를 결정하는 데 중요한 매개변수가 된다. 기체 농도는 길이가 다른 두 기체 셀에서 전파되는 THz 파형의 위상 차이로 주파수 영역에서 결정될 수 있다. Since the pulse position in the time domain depends only on the refractive index inside the cell, if the gas is pure and at constant pressure and temperature, the time delay increases continuously with increasing gas concentration for the main pulse and all echo pulses. Therefore, the phase difference between the reference pulse and the sample pulse becomes an important parameter in determining the gas concentration of the gas cell. The gas concentration can be determined in the frequency domain as the phase difference of THz waveforms propagating in two gas cells of different lengths.
여기서 100% N2O 가스로 채워진 30cm 길이의 가스 셀(비특허문헌 2)의 위상 차이를 기준으로 측정했다. N2O의 굴절률은 셀 길이와 농도에 관계없이 동일하므로, 18.61m 길이 셀의 기체 농도(σ)는 σ = (30cm / 1861cm) (ΔΦ1861 / ΔΦ30)의 비율로 결정할 수 있다. Δφ1861과 Δφ30은 각각 1861과 30 cm 길이 가스셀의 샘플 및 기준 펄스의 위상차이다. 100% N2O 가스로 채워진 30cm 길이 가스 셀의 위상 차이는 기준 (비특허문헌 2)의 실험 설정을 사용하여 측정했다. 따라서 주입된 가스량을 측정하지 않고 흡수를 위해 측정된 THz 펄스에서 가스 농도를 측정할 수 있다. Here, it was measured based on the phase difference of a gas cell (non-patent document 2) having a length of 30 cm filled with 100% N 2 O gas. Since the refractive index of N 2 O is the same regardless of cell length and concentration, the gas concentration (σ) of an 18.61 m-long cell can be determined by the ratio σ = (30 cm / 1861 cm) (ΔΦ1861 / ΔΦ30). Δϕ1861 and Δϕ30 are the phase differences between the sample and reference pulses of 1861 and 30 cm long gas cells, respectively. The phase difference of a 30 cm long gas cell filled with 100% N 2 O gas was measured using the experimental setup of the reference (Non-Patent Document 2). Therefore, it is possible to measure the gas concentration in the measured THz pulse for absorption without measuring the amount of gas injected.
도 9는 일 실시예에 따른 주파수 함수로서 측정된 가스 농도를 나타내는 도면이다. 9 is a diagram illustrating a gas concentration measured as a function of frequency according to an exemplary embodiment.
도 9를 참조하면, 주파수 함수로서 측정된 가스 농도를 나타내며, 괄호 안의 숫자는 주입된 가스량을 사용하여 계산된 가스 농도이다. 가스 셀의 모든 구조물에서 정확한 총량을 제거해야 하는 필요성, 측정 중 주입된 가스의 누출, 가스 셀의 잔류 가스의 유무 등으로 가스 농도의 산정이 어렵다. 그러나 위상차를 이용하여 기체 농도를 측정하는 것은 이러한 문제를 피할 수 있다. 더욱이 위상차에 의해 결정되는 기체 농도는 셀에 주입되는 기체의 부피에 의해 결정되는 것보다 맞춤(fitting) 편차가 작다. 따라서 장비 없이 이 방법을 적용하여 모든 종류의 순수 가스 농도를 측정할 수 있다.Referring to FIG. 9 , the measured gas concentration as a function of frequency is shown, and the number in parentheses is the gas concentration calculated using the injected gas amount. It is difficult to calculate the gas concentration due to the necessity to remove an accurate total amount from all structures of the gas cell, leakage of injected gas during measurement, and the presence or absence of residual gas in the gas cell. However, measuring the gas concentration using the phase difference avoids this problem. Moreover, the gas concentration determined by the phase difference has a smaller fitting deviation than that determined by the volume of gas injected into the cell. Therefore, all kinds of pure gas concentrations can be measured by applying this method without any equipment.
한편, 흡수계수는 다음 식과 같이 흡광도를 이용하여 계산할 수 있다.On the other hand, the absorption coefficient can be calculated using the absorbance as shown in the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, 주파수 의존 진폭 흡광도 A는 -ln(Es/Er), f는 THz 주파수, d는 셀 내 기체를 통과하는 경로 길이, Es와 Er은 각각 샘플과 기준 THz 펄스의 자기장 진폭이다. 강도는 필드 정사각형이기 때문에 인자 2가 필요하다. Here, the frequency-dependent amplitude absorbance A is -ln(Es/Er), f is the THz frequency, d is the path length through the gas in the cell, and Es and Er are the magnetic field amplitudes of the sample and reference THz pulses, respectively. Since the intensity is a field square, a factor of 2 is needed.
도 10은 일 실시예에 따른 가스 농도에 따른 흡광도를 나타내는 도면이다.10 is a diagram illustrating absorbance according to gas concentration according to an exemplary embodiment.
도 10의 (a)는 가스 농도가 1.0에서 8.3%로 상승하는 경우 N2O의 진폭 흡광도를 나타낸다. 회색 영역은 0.557, 0.752, 0.988, 1.097 THz의 강한 수분 흡수선과 1.097 THz 이상의 약한 스펙트럼 진폭으로 인한 무신호 영역을 나타낸다. N2O 스펙트럼 선의 엔빌로프(envelope)는 높은 가스 농도에서 잘 정의된다. 빨간색 점선은 8.3%의 가스 농도에서 HITRAN 데이터베이스를 사용하여 계산한 흡광도(또는 흡수)를 나타낸다. 기체 100%와 셀 길이 38.7cm(비특허문헌 4)의 기존 측정과 비교해 볼 때, 낮은 기체 농도를 사용할 때 거의 동일한 엔빌로프 모양과 분해능을 얻을 수 있다. Figure 10 (a) shows the amplitude absorbance of N 2 O when the gas concentration is increased from 1.0 to 8.3%. The gray region shows the strong water absorption lines at 0.557, 0.752, 0.988, and 1.097 THz and the no-signal region due to the weak spectral amplitude of 1.097 THz or more. The envelope of the N 2 O spectral line is well defined at high gas concentrations. The red dotted line represents the absorbance (or absorption) calculated using the HITRAN database at a gas concentration of 8.3%. Compared with the conventional measurement of 100% gas and a cell length of 38.7 cm (Non-Patent Document 4), almost the same envelope shape and resolution can be obtained when a low gas concentration is used.
도 10의 (b)는 N2O 가스의 확장된 주파수를 0.49에서 0.59 THz로 나타낸다. J=19->20에서 J=22->23으로의 회전 전환의 흡광도는 다른 기체 농도와 함께 도면에 표시된다. 선 강도는 가스 농도에 따라 달라진다. 가스 농도가 1.0%일 때 전환선 J=21->22(회색 영역에서 가장 낮은 선)는 왜곡된 Lorentz 분포를 나타낸다. 그러나 가스 농도가 높아지면 수분 흡수선보다 회전 전환의 선 강도가 더 강하다. 8.3%의 농도 가스의 흡광도를 흡수계수로 환산하면 도 10의 (a)의 상단 오른쪽 섹션에 숫자 값이 표시된다. 이 값은 HITRAN 데이터베이스를 사용하여 계산된 흡수계수와 양호한 합치를 나타낸다. J=7->8에서 J=44->45까지의 회전 전환선을 측정한다. 시간 영역의 에코 THz 펄스는 39.9 ps 간격으로 나타나기 때문에 N2O의 각 회전 전환선은 간격 시간의 역수인 25.1 GHz로 분리된다. 한편, 회전 전환 J의 중심 주파수는 (비특허문헌 5)에 의해 주어진다.10 (b) shows the expanded frequency of the N 2 O gas from 0.49 to 0.59 THz. The absorbance of the rotational transition from J=19->20 to J=22->23 is shown in the figure along with the different gas concentrations. The line strength depends on the gas concentration. At a gas concentration of 1.0%, the transition line J=21->22 (lowest line in the gray region) shows a distorted Lorentz distribution. However, at higher gas concentrations, the line strength of the rotational transition is stronger than the water absorption line. When the absorbance of the 8.3% concentration gas is converted into an absorption coefficient, a numerical value is displayed in the upper right section of FIG. 10 (a). This value is in good agreement with the absorption coefficient calculated using the HITRAN database. Measure the rotation transition line from J=7->8 to J=44->45. Since the echo THz pulses in the time domain appear with an interval of 39.9 ps, each rotational transition line of N 2 O is separated by 25.1 GHz, which is the reciprocal of the interval time. On the other hand, the center frequency of rotation switching J is given by (Non-patent document 5).
[수학식 2][Equation 2]
도 10의 (c)는 다중경로 가스 셀에서 서로 다른 가스 농도로 측정하고 HITRAN 데이터베이스를 사용하여 얻은 N2O의 흡수계수의 비교를 제공한다. 기체를 통과하는 경로가 길기 때문에 가스 농도가 매우 낮더라도 흡수계수가 잘 정의되어 있고 측정된 흡수계수가 HITRAN 데이터베이스와 잘 일치한다. 순환 펜(circulating pen)은 기체가 공기보다 무겁고 셀 바닥에 축적되기 때문에 기체와 건조한 공기를 섞는 데 사용되었다. 따라서 마른 공기와 섞는 것이 필요하다. 단, 이러한 상황은 실험실 또는 유해 가스를 취급하는 회사의 파이프를 통해 흐르는 특정 가스의 존재와 특성을 측정하기 위해 적용될 수 있다.Figure 10 (c) provides a comparison of the absorption coefficients of N 2 O obtained using the HITRAN database measured at different gas concentrations in a multi-path gas cell. Because of the long path through the gas, even at very low gas concentrations, the absorption coefficient is well defined and the measured absorption coefficient is in good agreement with the HITRAN database. A circulating pen was used to mix the dry air with the gas because the gas is heavier than air and accumulates at the bottom of the cell. Therefore, it is necessary to mix it with dry air. However, this situation may be applicable to determine the presence and properties of certain gases flowing through pipes in laboratories or companies handling hazardous gases.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When it is mentioned that a component is "connected" or "connected" to another component in the above, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be understood that there is On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as “…unit”, “…module”, etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.In addition, the components of the embodiment described with reference to each drawing are not limitedly applied only to the embodiment, and may be implemented to be included in other embodiments within the scope of maintaining the technical spirit of the present invention, and also Even if the description is omitted, it is natural that a plurality of embodiments may be re-implemented as one integrated embodiment.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components regardless of the reference numerals are given the same or related reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (16)
를 포함하고,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열은,
상기 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러; 및
상기 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러
를 포함하며,
상기 입사되는 빔이 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대하는, 다중경로 가스 셀.A pair of mirror sets that are disposed to face each other in the housing of the gas cell and multi-reflect the beams incident through the plurality of mirrors in a zigzag form
including,
Each column of the pair of mirror sets is
a flat mirror forming multiple reflections of the beam; and
A redirecting mirror that changes the direction of the beam
includes,
The multipath gas cell of claim 1, wherein the incident beam is reflected by the plane mirror and the redirection mirror at least once to increase the number of reflections, thereby increasing the traveling distance of the beam.
상기 평면 미러는,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 상기 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The flat mirror is
disposed in the middle of each column of the pair of mirror sets to multiple-reflect the beam in a zigzag pattern
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 방향 전환 미러는,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 상기 빔의 방향을 전환시키는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The direction changing mirror,
disposed above and below each column of the pair of mirror sets to redirect the beam
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 방향 전환 미러는,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 각각 두 개씩 배치되어, 두 개의 빔 경로의 상기 빔의 방향을 전환시키는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The direction changing mirror,
Two of each of the upper and lower sides of each column of the pair of mirror sets are arranged to change the direction of the beams in the two beam paths.
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 방향 전환 미러는,
구면 미러(spherical mirror) 또는 렌즈로 이루어져 빔 경로의 길이가 확대됨에 따라 빔 폭이 증가되는 것을 방지하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The direction changing mirror,
A spherical mirror or lens that prevents the beam width from increasing as the length of the beam path increases.
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
상기 하우징 내에 적어도 둘 이상의 세트로 구성되어, 상기 입사되는 빔이 상기 한 쌍의 미러 세트를 상하 방향으로 다중 반사한 후, 다른 한 쌍의 미러 세트로 이동하여 상하 방향으로 다중 반사하도록 하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The pair of mirror sets,
It is composed of at least two sets in the housing, so that the incident beam multi-reflects the pair of mirror sets in the vertical direction, then moves to the other pair of mirror sets and multi-reflects it in the vertical direction
characterized in that, a multi-path gas cell.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며,
상기 입사되는 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로; 및
상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로를 포함하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The pair of mirror sets,
having at least two beam paths,
a first beam path through which the incident beam is reflected in a zigzag form from the lower side to the upper side and then is reflected again in a zigzag form from the upper side to the lower side; and
and a second beam path in which the beam moving along the first beam path is reflected in a zigzag form from the lower side to the upper side, and then is reflected again in a zigzag form from the upper side to the lower side.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며,
상기 입사되는 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제1 빔 경로; 및
상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 상측에서 하측으로 지그재그 형태로 반사된 후 다시 하측에서 상측으로 지그재그 형태로 반사되는 제2 빔 경로
를 포함하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The pair of mirror sets,
having at least two beam paths,
a first beam path through which the incident beam is reflected in a zigzag form from the upper side to the lower side and then is reflected again in a zigzag form from the lower side to the upper side; and
A second beam path in which the beam moving along the first beam path is reflected in a zigzag form from the upper side to the lower side and then is reflected again in a zigzag form from the lower side to the upper side
A multipath gas cell comprising a.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
상기 입사되는 빔이 상기 제1 빔 경로를 따라 소정 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하고, 상기 제2 빔 경로를 따라 상기 제1 빔 경로와 다른 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.9. The method according to claim 7 or 8,
The pair of mirror sets,
The plane mirror and the redirecting mirror are configured so that the incident beam is reflected at a predetermined angle along the first beam path, and the plane mirror is reflected at an angle different from the first beam path along the second beam path. and configuring the turning mirror
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
상기 입사되는 빔이 상기 제1 빔 경로를 따라 소정 각도로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하고, 상기 제2 빔 경로를 따라 상기 제1 빔 경로의 각도의 두 배의 크기로 반사되도록 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 구성하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀. 9. The method according to claim 7 or 8,
The pair of mirror sets,
The plane mirror and the redirecting mirror are configured so that the incident beam is reflected at a predetermined angle along the first beam path, and is reflected along the second beam path at twice the angle of the first beam path to configure the plane mirror and the direction change mirror so as to be
Characterized in the, multi-path gas cell.
상기 한 쌍의 미러 세트는,
적어도 둘 이상의 빔 경로를 가지며,
상기 입사되는 빔이 평면에서 별 모양으로 다중 반사되는 제1 빔 경로; 및
상기 제1 빔 경로를 따라 이동한 빔이 한층 위 평면으로 이동하여 다시 별 모양으로 다중 반사되는 제2 빔 경로
를 포함하는, 다중경로 가스 셀.According to claim 1,
The pair of mirror sets,
having at least two beam paths,
a first beam path through which the incident beam is multi-reflected in a star shape on a plane; and
A second beam path in which the beam moving along the first beam path moves to a higher plane and is then multi-reflected in the shape of a star
A multipath gas cell comprising a.
상기 다중경로 가스 셀은 특정 길이 이상으로 THz 빔, 광학 빔 및 마이크로파 빔 중 적어도 어느 하나 이상의 전자기파 빔 경로의 거리를 확장시켜 대기압, 고압 및 진공 환경의 아산화질소(N2O) 또는 수증기(water vapor) 가스의 흡광도(absorbance) 및 흡수계수(absorption coefficient)와 전파감쇄(attenuation)를 측정하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀. According to claim 1,
The multi-path gas cell extends the distance of the electromagnetic wave beam path of at least any one of a THz beam, an optical beam, and a microwave beam to a specific length or more, so that nitrous oxide (N 2 O) or water vapor in atmospheric pressure, high pressure and vacuum environment ) to measure the absorbance, absorption coefficient, and attenuation of gas
characterized in that, a multi-path gas cell.
THz-TDS(THz time-domain spectroscopy) 시스템에서 상기 다중경로 가스 셀로 THz 빔을 입사 후 나오는 빔을 수신하여 가스 감지를 수행하는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀. According to claim 1,
In a THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system, the THz beam is incident on the multipath gas cell and then the beam is received and gas sensing is performed.
characterized in that, a multi-path gas cell.
상기 하우징의 내주면 측에 서로 대향되게 배치되어, 복수개의 미러 또는 렌즈를 통해 입사되는 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키는 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트
를 포함하고,
상기 적어도 하나 이상의 한 쌍의 미러 세트를 통해 빔의 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대하는, 다중경로 가스 셀.a housing of a column-shaped gas cell with an empty interior;
At least one pair of mirror sets disposed to face each other on the inner circumferential side of the housing and multi-reflecting a beam incident through a plurality of mirrors or lenses in a zigzag form
including,
A multi-path gas cell which expands the traveling distance of a beam by increasing the number of reflections of the beam through the at least one pair of mirror sets.
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열은,
상기 빔의 다중 반사를 형성하는 평면 미러; 및
상기 빔의 방향을 변경하는 방향 전환 미러
를 포함하며,
상기 입사되는 빔이 상기 평면 미러 및 상기 방향 전환 미러를 적어도 한 번 이상 반사되도록 하여 반사 횟수를 증대시킴에 따라 빔의 진행 거리를 확대하는, 다중경로 가스 셀. 15. The method of claim 14,
Each column of the pair of mirror sets is
a flat mirror forming multiple reflections of the beam; and
A redirecting mirror that changes the direction of the beam
includes,
The multipath gas cell of claim 1, wherein the incident beam is reflected by the plane mirror and the redirection mirror at least once to increase the number of reflections, thereby increasing the traveling distance of the beam.
상기 평면 미러는,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 가운데 부분에 배치되어, 상기 빔을 지그재그 형태로 다중 반사시키고,
상기 방향 전환 미러는,
상기 한 쌍의 미러 세트의 각 열의 상측 및 하측에 배치되어, 상기 빔의 방향을 전환시키는 것
을 특징으로 하는, 다중경로 가스 셀.16. The method of claim 15,
The flat mirror is
disposed in the middle of each column of the pair of mirror sets, to multiple-reflect the beam in a zigzag form;
The direction changing mirror,
disposed above and below each column of the pair of mirror sets to redirect the beam
Characterized in the, multi-path gas cell.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020200122824A KR102408606B1 (en) | 2020-09-23 | 2020-09-23 | Multipass gas cell |
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