WO2016117796A2 - 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법 - Google Patents

광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법 Download PDF

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    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G01J2003/423—Spectral arrangements using lasers, e.g. tunable

Definitions

  • the present invention relates to a laser spectroscopy technique, and more particularly, a high sensitivity absorption spectroscopy apparatus using a laser frequency modulated based on a resonance absorption frequency of a specific material to be detected and its It relates to a measuring method.
  • a microscope is mainly a device which enlarges the image of the measuring object of a fine size.
  • the microscope displays the measurement object mainly on the naked eye or displays it on the screen through an imaging means such as a camera.
  • the microscope needs to detect a specific substance, and detect the thickness, concentration, absorbance, etc. of the specific substance.
  • Korean Patent Publication No. 2007-0089962 discloses a chemical species and thickness simultaneous optical analysis apparatus of an organic thin film using a CARS microscope. Specifically, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0089962 proposes an apparatus for simultaneously analyzing chemical species and thickness of an organic thin film under a high spatial precision in a non-destructive manner. Such CARS microscopes are mechanically complex and susceptible to noise.
  • the characteristics such as the thickness of thin films of polymers and molecular materials in the treatment of the surfaces of biologically useful polymers and various types of implants in templates used in tissue engineering regeneration, such as skin important for regenerative medicine, are developed. And the performance of the product.
  • the measurement and performance evaluation of polymer thin films of this importance is mainly the method of measuring the vibration mode of direct molecules such as Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and linear Raman spectroscopy, or absorption or optical Methods of measuring by intramolecular electron transfer such as luminescence, optical-interference phenomena or ellipsometry methods, which are optically based on a change in refractive index and phase difference by a target thin film, are known.
  • FT-IR Fourier Transform Infrared Spectroscopy
  • linear Raman spectroscopy or absorption or optical Methods of measuring by intramolecular electron transfer such as luminescence, optical-interference phenomena or ellipsometry methods, which are optically based on a change in refractive index and phase difference by a target thin film, are known.
  • infrared spectroscopy is the most widely known method due to absorption of electromagnetic wave (light) in the infrared region due to vibration in organic molecules, which is very sensitive to changes in the chemical structure of molecules, It is not suitable for increasing microscopic resolution to micron size or measuring very thin films.
  • the measurement method based on absorption or photoluminescence phenomena by electron transition is excellent as a measurement method for spatial resolution and thickness variation, but the change in chemical structural changes of organic molecules, especially polymers, is very low. Therefore, in the case of knowing the chemical structure of the polymer or in the case of a polymer thin film formed of a single chemical species, it can be very useful, but otherwise its application is limited.
  • the measurement technique developed based on the optical refractive index is a thin film thickness determination technique that has the highest precision among the measurement techniques known when one species is known and the refractive index is precisely known. It cannot be applied to thin film composed of two or more species because it cannot be analyzed by itself.
  • linear Raman spectroscopy (FT or cw, continuos wave) has advantages such as spatial resolution can reach optical diffraction limit and chemical species can be analyzed. Due to the extremely complex dependence of the strength of the thin film, its applicability is limited. In order to overcome this sensitivity problem, attempts have recently been made to achieve advances in technology such as Surface Enhanced RAMAN Spectroscopy (SERS), but the application of the signal strength depends on the characteristics of the polymer depending on the thickness of the thin film. Limited to gender
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a high sensitivity laser absorption spectroscopy apparatus and method for selectively detecting a specific material.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a laser frequency / intensity modulation (FM / IM) absorption spectroscopy apparatus and method.
  • This method acquires / processes / calculates the absorption spectroscopy signal of a sample generated by employing a laser light source that modulates frequency and intensity simultaneously, thereby (i) the signal-to-noise ratio of the signal standardization process compared to the frequency modulation (FM) absorption spectroscopy technique.
  • the characteristics and reliability can be improved, and (ii) signal processing can be performed even in the presence of intensity modulation (IM) and fluctuations of the laser output light, so that the absorbance of the measurement target can be quantified with excellent measurement sensitivity and accuracy.
  • IM intensity modulation
  • An optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer comprises: an exhibition field light source for outputting a visible beam in a visible light band;
  • the optical frequency of the laser beam is frequency-modulated at the modulation frequency (f m ), the intensity of the laser beam is intensity-modulated at the modulation frequency (f m ), and a probe beam is output.
  • the measurement target provided with the probe beam absorbs resonance.
  • a frequency and intensity modulation spectroscopy unit for converting the laser absorption signal generated by the signal into an electrical signal and extracting the first harmonic component and the second high frequency component of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal;
  • a beam processor configured to provide the field beam and the probe beam to an objective lens;
  • an objective lens for providing the field-of-view beam to the measurement object as display field light and focusing the probe beam at its focal point at the measurement position of the measurement object.
  • the frequency and intensity modulation spectroscopy unit modulates the optical frequency of the laser beam at a modulation frequency (f m ) in a predetermined frequency band and of the laser beam at the modulation frequency (f m ).
  • a laser light source unit modulating the intensity;
  • An optical sensing unit converting the laser absorption signal into an electrical signal;
  • the second harmonic component of the modulation frequency is the first harmonic component of (f m) (M 1f) and the modulation frequency (f m) to process the converted laser absorption signal of the photo-sensing unit an output signal (M 2f) Is extracted by using the ratio of the first harmonic component (M 1f ) of the modulation frequency (f m ) and the second harmonic component (M 2f ) of the modulation frequency (M 1f / M 2f ).
  • It may include a processing unit for calculating the absorbance of the probe beam.
  • the laser light source unit may be a quantum cascade laser.
  • the laser light source unit laser current driver; And a laser receiving the current from the laser driver to generate the probe beam.
  • the optical frequency may be modulated in a predetermined frequency band, and at the same time, the intensity of the probeam may be modulated at the modulation frequency.
  • the processor extracts the first harmonic component M 1f of the modulation frequency and the second harmonic component M 2f of the modulation frequency by using the laser absorption signal of the light sensing unit.
  • a lock-in amplifier And absorbance of the probe beam by the measurement target using a ratio M 1f / M 2f of the first harmonic component M 1f of the modulation frequency and the second harmonic component M 2f of the modulation frequency. It may include a calculation processing unit for calculating.
  • the frequency and intensity modulation spectroscopy may further include a light source output detector for receiving a portion of the probe beam and converts it into an electrical signal to generate a light source intensity signal.
  • the processing unit includes an amplifier which is an auxiliary lock extracting the intensity modulation amplitude ( ⁇ 1f ) of the first harmonic component of the modulation frequency and the intensity modulation amplitude ( ⁇ 2f ) of the second harmonic component of the modulation frequency from the light source intensity signal;
  • a lock-in amplifier for extracting a first harmonic component of the modulation frequency and a second harmonic component of the modulation frequency from the laser absorption signal of the light sensing unit;
  • It may include a calculation processing unit for calculating the absorbance of the probe beam by the measurement target using the difference harmonic component.
  • the laser light source may further include an optical frequency stabilizer for providing a control signal.
  • the optical frequency stabilizer may include: a reference cell made of a material constituting the measurement target to match a center optical frequency of the probe beam frequency-modulated in a predetermined frequency band with a center of a specific absorption spectrum of the measurement material; A beam splitter that splits the probe beam to provide a portion of the probe beam to the reference cell; A reference cell photodetector configured to measure a reference probe beam passing through the reference cell and convert the reference probe beam into an electrical signal; And a band pass filter disposed between the reference cell photodetector and the reference cell to pass the probe beam and remove external noise light.
  • the processor may receive an output signal of the reference cell photodetector and provide a control signal to the laser light source to match the center optical frequency of the probe beam to the center of a specific absorption spectrum of the measurement material.
  • the beam processor comprises: a measuring beam splitter which receives and transmits the probeam output by the frequency and intensity modulation spectroscopy processor and reflects a laser absorption signal propagated from the measurement target; And a dichroic mirror that reflects the viewing beam and transmits the probeam to the objective lens.
  • the present invention may further include a polarizing plate receiving the probe beam and outputting the probe beam polarized in a predetermined direction.
  • the beam processor may include a polarization beam splitter configured to receive and transmit the polarized probeam and reflect the laser absorption signal from the measurement target; A quarter wave plate disposed at a rear end of the polarizing beam splitter; And a dichroic mirror that reflects the view beam and transmits the polarized probeam to provide the objective lens.
  • an auxiliary beam splitter In one embodiment of the invention, an auxiliary beam splitter; And a camera.
  • the visual field beam may be reflected by the measurement object to generate a reflective visual field beam, and the reflective visual field beam may pass through the objective lens and be reflected by the beam processor to be provided to the auxiliary beam splitter.
  • the auxiliary beam splitter may be provided to the camera by reflecting the reflected field beam.
  • it may further include a 2D beam scanner disposed between the objective lens and the beam processing unit for scanning the probe beam.
  • the beam processing unit includes a dichroic mirror that reflects the field of view beam and transmits the pro-beam to the objective lens;
  • the apparatus may further include an auxiliary lens configured to focus the laser absorption signal transmitted through the measurement target.
  • the auxiliary lens may provide the focused laser absorption signal to the frequency and intensity modulation spectroscopy unit.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy method modulates an optical frequency of a probe beam at a modulation frequency f m in a predetermined frequency band, and modulates the optical beam of the probe beam at the modulation frequency f m .
  • Modulating the intensity Providing a frequency and intensity modulated probe beam to a measurement position of the measurement object using an objective lens; Providing a visible beam of visible light band to the measurement position of the measurement object using the objective lens; And converting a laser absorption signal generated by resonance absorption by the measurement target provided with the probe beam into an electrical signal, and converting the first harmonic component and the second high frequency component of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal. It includes; extracting.
  • the measurement target receiving the probe beam converts the laser absorption signal generated by the resonance absorption into an electrical signal, and the first of the modulation frequency (f m ) from the converted laser absorption signal Extracting the harmonic component and the second high frequency component modulates the optical frequency of the probe beam to the modulation frequency using a tunable semiconductor laser while simultaneously modulating the intensity of the probe beam of the tunable semiconductor laser to the modulation frequency.
  • Doing Converting a laser absorption signal generated by the resonance target by resonance absorption into an electrical signal; Extracting a first harmonic component and a second high frequency component of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal; And calculating the absorbance of the measurement target by using the first harmonic component and the second high frequency component of the modulation frequency f m .
  • the method may further include scanning the probe beam incident on the objective lens in two dimensions.
  • the method may further include adjusting the size of the probe beam to match the size of the probe beam to the aperture of the objective lens.
  • the method may further include imaging the view beam reflected from the measurement object.
  • An optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer and an optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer method employ a laser light source that modulates frequency and intensity simultaneously to obtain a laser absorption signal converted into an electrical signal. And process and calculate.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer and the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy improve signal-to-noise ratio characteristics and reliability, which are superior to the conventional frequency modulation (FM) absorption spectroscopy.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy device and optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy method are subjected to signal processing in the presence of intensity modulation (IM) and fluctuations of the laser output light, and thus the absorbance of the chemical species to be detected ( Absorbance can be quantified with good measurement sensitivity and accuracy.
  • IM intensity modulation
  • a measurement target is visually applied to a microscope or displayed on a screen through an imaging means such as a camera.
  • the device can detect a specific material and image the thickness, concentration, or absorbance of the specific material with high sensitivity and spatial resolution.
  • FIG. 1 is a view showing a transmission spectrum of a material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the spectrum of a specific single absorption line E of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating frequency modulation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an optical frequency / intensity modulated laser absorption spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a signal when the laser absorption spectrometer of FIG. 4 performs only frequency modulation.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a signal when the laser absorption spectrometer of FIG. 4 performs frequency modulation and intensity modulation.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a laser absorption signal of the laser absorption spectrometer of FIG. 4 in the frequency domain.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating first harmonic components and second harmonic components of a modulation frequency in a laser absorption signal of the laser absorption spectrometer of FIG. 4 according to absorbance of a sample.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a light frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating an optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining an optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • an absorption spectroscopy method for measuring a thin film which is very sensitive to changes in the chemical structure of a molecule, has high spatial resolution, and is very thin.
  • the high-sensitivity / low noise laser FM absorption spectroscopy may use a laser that is frequency modulated (FM) around an absorption line optical frequency that is selectively absorbed only to a specific species.
  • FM frequency modulated
  • the modulation frequency is doubled.
  • a laser absorption intensity modulated signal is obtained.
  • the laser absorption intensity modulated signal is converted into an electrical signal to lock-in detection of the second harmonic component of the modulation frequency, the second harmonic component or the modulation signal amplitude of the modulation frequency proportional to the absorption amount of the measurement target ( modulation signal amplitude) can be obtained.
  • FM (Frequency Modulation) laser absorption spectroscopy detects only the laser absorption signal component by the gas to be detected when compared with the fixed DC laser absorption spectroscopy of the irradiated laser. Therefore, FM (Frequency Modulation) laser absorption spectroscopy has an advantage of easily removing the background signal and increasing the signal-to-noise ratio of the measurement.
  • the technical requirements to be assumed in the FM laser absorption spectroscopy are as follows. (i) the output intensity of the FM laser remains constant in time, and (ii) the laser output intensity, light attenuation on the measurement laser path, and spatially of the measurement target surface at the measurement position of the measurement object. The intensity of the measured signal light should be normalized in consideration of non-uniform backscattering efficiency.
  • FM absorption spectroscopy for detecting a measurement object has the following problems.
  • the laser light source actually involves temporal amplitude modulation (AM) or intensity modulation (AM) of the output intensity. Accordingly, such light sources cause waveform distortion of the measured signal light, making it impossible to quantify absorbance based on frequency modulated (FM) absorption spectroscopy theory.
  • frequency modulated (FM) absorption spectroscopy is difficult to apply.
  • the laser absorption spectroscopic signal deviates from the ideal modulation waveform represented by the second harmonic of the modulation frequency. It has a waveform that is distorted in time. Thus, it generally contains harmonic components of the modulation frequency.
  • the second harmonic component of the modulation frequency contained in the distorted laser absorption spectroscopic signal is not linearly proportional to the absorbance to be measured.
  • the second harmonic component of the modulation frequency may also depend on the amplitude and phase characteristics of the intensity modulation (IM). Therefore, we cannot apply the existing frequency modulation (FM) absorption spectroscopy theory from laser absorption spectroscopy to interpret the measurement results.
  • the process of standardizing the second harmonic component of the modulation frequency included in the laser absorption spectroscopic signal to the DC level of the entire laser signal must be performed. Required. If the absorbance of the sample to be measured is very small, the measurement error of the DC level of the laser absorption spectroscopic signal with a very high noise level is a critical limit to the sensitivity and accuracy of the absorbance measurement.
  • FM frequency modulated
  • a laser beam in which an optical frequency and an output intensity are modulated simultaneously with respect to a resonance absorption line inherent to a chemical species to be detected is provided to a measurement target, and spatially You can scan.
  • the laser absorption signal backscattered or transmitted from the surface to be measured can be collected and subjected to a 2-channel lock-in detection.
  • signal processing / calculation light absorbance, which depends on the species of a particular object, can be quantified with high measurement sensitivity and signal-to-noise ratio.
  • the implementation method of the FM / IM laser light source includes (i) a method of using an intensity modulation (IM) pattern simultaneously accompanied by a frequency modulation (FM) process of a wavelength-variable laser light source, and (ii) a pure without changing the output intensity.
  • IM intensity modulation
  • FM frequency modulation
  • IM intensity modulation
  • the laser output intensity waveform by the intensity modulation has residual secondary harmonics in addition to the fundamental frequency component (hereinafter referred to as "1f-component") because fine distortion occurs in actual implementation.
  • 2nd harmonics) component hereinafter, referred to as "2f-component”.
  • the signal processing / calculation process is performed by the 1f-component and 2f-component obtained through 2-channel lock-in detection, which is a 2-channel lock-in detection of a laser absorption signal detected from a measurement target irradiated with an FM / IM laser beam. Measurements can be used to normalize the laser absorption spectroscopy signal and find a mathematical solution to the leakage gas absorption based on equations associated with the operating parameters of the FM / IM laser light source. .
  • the operating parameter of the FM / IM laser light source included in the equation is a value that can be arbitrarily set, but the operating variable of the actual operation of the laser light source may be oscillated in time without being fixed to a specific set value.
  • an operating variable intensity modulation amplitude of the first harmonic component of the modulation frequency, the modulation frequency of the laser light source
  • the intensity modulation amplitude of the second harmonic component can be measured and used in real time.
  • FIG. 1 is a view showing a transmission spectrum of a material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the spectrum of a specific single absorption line E of FIG. 1.
  • the material is N 2 O.
  • the transmission spectrum (or absorption spectrum) of the N 2 O includes a plurality of absorption lines. Of these, one of the absorption lines E of interest may be selected.
  • the absorption line E may be used to detect a specific material.
  • Three parameters defining the absorption line may be the center frequency of the absorption line, the intensity of the absorption line, and the shape of the absorption line.
  • Each absorption line has a line width of a certain size by natural broadening.
  • the shape of the absorption line may be a Lorentz profile.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating frequency modulation according to an embodiment of the present invention.
  • the optical frequency of the laser of constant intensity may be a sine function stabilized in the absorption spectrum of a specific material with a modulation frequency f m .
  • the optical frequency f cm of the laser may be given as follows.
  • the optical frequency ⁇ of the laser is ⁇ 0 + ⁇ mod cos (2 ⁇ f m t).
  • f m is the modulation frequency
  • ⁇ 0 is the center optical frequency of the absorption line
  • ⁇ mod is the modulation amplitude
  • t is time.
  • the optical frequency of the laser has a sinusoidal shape with time
  • the light transmitted through the leaking material is transformed by the absorption line of the measurement target to include the second harmonic component of the modulation frequency f m .
  • the second harmonic component of the modulation frequency f m may depend on the concentration of the measurement object.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an optical frequency / intensity modulated laser absorption spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a signal when the laser absorption spectrometer of FIG. 4 performs only frequency modulation.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a signal when the laser absorption spectrometer of FIG. 4 performs frequency modulation and intensity modulation.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a laser absorption signal of the laser absorption spectrometer of FIG. 4 in the frequency domain.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating first harmonic components and second harmonic components of a modulation frequency in a laser absorption signal of the laser absorption spectrometer of FIG. 4 according to absorbance of a sample.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer 400 includes a display field light source 420, a frequency and intensity modulated spectral processor 410, a beam processor 440, and an objective lens 450. ).
  • the field of view light source 420 outputs the field of view beam 41 in the visible light band.
  • the frequency and intensity-modulation spectroscopy processing unit 410 by a frequency modulation, modulated with a frequency (f m), modulating the intensity of the laser beam intensity of a light modulation frequency frequency (f m) of the laser beam, the probe beam (31) Outputs, converts a laser absorption signal generated by resonance absorption by the measurement target 10 provided with the probe beam 31 into an electrical signal, and converts the first absorption signal of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal. Harmonic components and second high frequency components are extracted.
  • the beam processor 440 provides the viewing beam and the probe beam 31 to the objective lens.
  • the objective lens 450 provides the field-of-view beam to the measurement target 10 as display field light, and focuses the probe beam 31 at its focal point to provide the measurement position to the measurement target 10. It includes a lens.
  • the frequency and intensity modulation spectroscopic processing unit 410 modulates the optical frequency of the laser beam at a modulation frequency f m in a predetermined frequency band and modulates the intensity of the laser beam at the modulation frequency f m . 110, an optical sensing unit 130 for converting the laser absorption signal into an electrical signal, and a processing unit 140.
  • the processing unit 140 is the first harmonic component of the modulation frequency (f m) to process the converted laser absorption signal is the output signal of the light sensor (130) (M 1f) and the modulation frequency (f m) secondary non-(M 1f / M 2f) of the harmonic component (M 2f) for extracting said modulated frequency the first harmonic component of (f m) (M 1f) and the second harmonic component of the modulation frequency (M 2f) of The absorbance of the probe beam 31 by the measurement target 10 is calculated using.
  • the optical frequency of the laser beam is displayed according to time.
  • the central optical frequency of the laser light source unit 110 may coincide with the central optical frequency of a specific absorption spectrum of the measurement target 10.
  • the resonance absorbance A 0 or the absorbance may depend on the intensity of light absorbed by the measurement target 10.
  • the second harmonic component of the modulation frequency in the laser absorption signal 32 reflected, backscattered or transmitted at the measurement object 10 may depend on the product of the absorption and the absorption line modulation width.
  • the absorbance may be maximum. Accordingly, the probe beam 31 may be reflected, transmitted, or scattered in the measurement target 10 and converted into the laser absorption signal.
  • the laser absorption signal may have a minimum intensity.
  • the laser absorption signal may have a maximum intensity.
  • the laser absorption signal 32 may comprise primarily second harmonic components of the modulation frequency.
  • the central optical frequency of the laser can be matched to the central optical frequency ⁇ 0 of the species selective resonance absorption line.
  • the width of the species selective resonance absorption line may be ⁇ abs .
  • the modulation frequency of the laser may be f m .
  • the modulation width of the modulation frequency of the laser may be ⁇ mod .
  • the optical frequency of the laser may be ⁇ 0 + ⁇ mod cos (2 ⁇ f m t).
  • the optical frequency of the probe beam 31 is displayed according to time. do.
  • the probe beam 31 may be frequency modulated at a modulation frequency f m within a range of a specific frequency band 2 ⁇ mod .
  • the probe beam 31 of the laser light source unit 110 is intensity-modulated at the modulation frequency f m , and parasitically, the probe beam 31 of the laser light source unit 110 is of the modulation frequency f m .
  • the second harmonic component can be further modulated with intensity.
  • the ratio of the intensity modulation amplitude of the first harmonic component and the second harmonic component of the modulation frequency f m may be 10 times or more. Preferably, it may be desirable to remove the intensity modulation with the second harmonic component of the modulation frequency f m .
  • the probe beam 31 may be converted into the laser absorption signal 32 by being reflected, transmitted, or scattered by the measurement target 10.
  • the laser absorption signal 32 may have a minimum intensity.
  • the laser absorption signal 32 may have the maximum intensity.
  • the laser absorption signal 32 may include a first harmonic component of the modulation frequency and a second harmonic component of the modulation frequency.
  • the laser light source unit 110 may perform intensity modulation at the modulation frequency.
  • the intensity modulation may comprise a second harmonic component of the modulation frequency.
  • the power of the probe beam 31 is represented as follows. .
  • P L is the power of the probe beam 31
  • P 0 is the DC power
  • ⁇ 1f is the intensity modulation amplitude of the first harmonic component of the modulation frequency
  • ⁇ 2f is the second harmonic component of the modulation frequency
  • ⁇ 1f is the intensity modulation phase of the first harmonic component of the modulation frequency
  • ⁇ 2f is the amplitude of the second harmonic component of the modulation frequency. Intensity modulation phase.
  • the absorption modulation of the measurement object is expressed as follows.
  • a mod is the absorption modulation of the measurement object
  • a 0 is the resonance absorption of the measurement object
  • ⁇ abs is the absorption line modulation width
  • ⁇ abs is the frequency absorption modulation phase
  • 2 ⁇ m is the frequency modulation absorption modulation frequency.
  • the laser absorption signal 32 may be converted into an electrical signal V sig .
  • the product of the absorption modulation and the power of the probe beam 31 may be expressed as follows.
  • the laser absorption signal V sig may be displayed as an electrical signal by a light sensing unit.
  • the laser absorption signal V sig includes a DC component, a first harmonic component M 1f of the modulation frequency, a second harmonic component M 2f of the modulation frequency, and a third harmonic component M 3f of the modulation frequency. And a fourth harmonic component M 4f of the modulation frequency.
  • the resonance absorbance may depend on the thickness of the thin film and the density of a specific chemical species when the measurement target is a thin film. Thus, the presence of the specific species and the density of the specific species can be confirmed. In addition, when the density of the specific chemical species is known, the thickness of the thin film may be calculated. When the probe beam is spatially scanned, a resonance absorbance image (density image or thickness image) can be obtained.
  • the coefficient ratio S M 2f / M 1f is used to calculate the absorbance A 0 of the measurement object.
  • the equation for the absorbance A 0 of the measurement object may depend on the value of the operating variable of the FM / IM laser light source.
  • set physical quantities such as modulation frequency or absorption line modulation width of frequency modulation (FM)
  • 1f and 2f intensity modulation amplitudes ⁇ 1f , ⁇ 2f
  • phases ⁇ 1f , ⁇ 2f
  • IM laser intensity modulation
  • the first harmonic component M 1f of the modulation frequency of the laser absorption signal according to the resonance absorption degree A 0 , the second harmonic component M 2f of the modulation frequency, and their The ratio S M 2f / M 1f is displayed.
  • the x-axis represents the resonance absorbance A 0 of the measurement object.
  • the solid line is the case where there is no intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency
  • the dotted line is the case where the intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency is present.
  • the absorbance is approximately 0.1 or less, the intensity of the first harmonic component of the modulation frequency increases than the second harmonic component of the modulation frequency.
  • the first harmonic component of the modulation frequency caused by the intensity modulation we can detect fine absorbance. Specifically, when the measurement target is a thin film coated on a glass substrate, a specific chemical species due to a thickness of several nm or less may be detected.
  • the measurement target 10 may be a liquid, a gas, or a solid.
  • the measurement target 10 may be in the form of a bulk or a thin film.
  • the detection optical frequency / intensity modulated laser absorption spectrometer may change the center optical frequency for each substance.
  • the optical frequency / intensity modulated laser absorption spectroscopy for detection can detect a plurality of substances sequentially.
  • the laser light source unit 110 may be a quantum cascade laser. Specifically, the laser light source unit 110 may generate mid-infrared light, which is a molecular fingerprint spectral band.
  • the laser light source unit 110 may be a tunable wavelength laser source.
  • the laser light source unit 110 may continuously change the laser frequency with time having a modulation frequency in the range of the line width of a specific single absorption line in an absorption spectrum of a specific material.
  • the laser light source unit 110 may be a dye laser, a parametric oscillation laser, a spin flip Raman laser, or a semiconductor laser.
  • the laser light source unit 110 may include a laser current driver 114 and a laser 112 that receives the current from the laser current driver 114 to generate the probe beam 31.
  • the optical frequency may be modulated in a predetermined frequency band, and at the same time, the intensity of the probeam may be modulated at the modulation frequency.
  • the laser current driver 114 may modulate the current flowing in the laser with a modulation frequency according to time. Accordingly, the optical frequency of the output light of the laser light source unit 110 may be modulated by a sine function, and at the same time the intensity of the probe beam 31 may be modulated by the modulation frequency.
  • the intensity modulation of the probe beam 31 preferably includes only the first harmonic component of the modulation frequency, but may include the first harmonic component of the modulation frequency.
  • the function generator 147 may generate a sine function or reference signal having a modulation frequency.
  • the function generator may provide a reference signal for lock-in sensing to a lock-in amplifier.
  • the reference signal may be a sine signal or a pulse signal having the modulation frequency.
  • the function generator 147 may generate a reference signal and provide it to the laser light source unit 110. Accordingly, the laser light source unit 110 may perform the frequency modulation and the intensity modulation at the modulation frequency in synchronization with the reference signal.
  • the reference signal of the function generator 147 may be provided to the optical frequency stabilizer 160, the lock-in amplifier 142, and the auxiliary lock-in amplifier 146.
  • the optical frequency stabilizer 160 may synchronize the central optical frequency of the laser light source unit 110 with the central optical frequency of the absorption line.
  • the lock-in amplifier 142 may extract the first harmonic component and the second harmonic component of the modulation frequency from the laser absorption signal 32.
  • the auxiliary lock-in amplifier 146 may extract the intensity modulation amplitude by extracting the first harmonic component and the second harmonic component of the modulation frequency from the intensity signal Vint of the probe beam 31.
  • An isolator 172 may be disposed at a rear end of the laser light source unit 110.
  • the isolator 172 may remove the reflected wave re-incident to the laser light source unit 110.
  • the first beam splitter 167 may be disposed at the rear end of the isolator 172.
  • the first beam splitter 167 may reflect a portion of the probe beam 31 to the optical frequency stabilizer 160.
  • the optical frequency stabilizer 160 may stabilize the central optical frequency of the laser light source 110.
  • the optical frequency stabilizer 160 configures the measurement target 10 to match the central optical frequency of the probe beam 31 frequency-modulated in a predetermined frequency band to the center of a specific absorption spectrum of the measurement material.
  • Reference cell 163 filled with material, beam splitters 167 and 162 for dividing the probe beam 31 to provide a portion of the probe beam 31 to the reference cell 163, and the reference cell 163.
  • a reference cell photodetector 166 for measuring a reference probe beam 31 passing through the signal and converting the reference probe beam 31 into an electrical signal, and disposed between the reference cell photodetector 166 and the reference cell 163.
  • Band pass filter 164 that passes 31 and removes external noise light.
  • the processor 140 receives the output signal of the reference cell photodetector 166 to match the central optical frequency of the probe beam 31 to the center of a specific absorption spectrum of the measurement material. Can provide a control signal.
  • the beam splitters 167 and 162 may include a first beam splitter 167 and a second beam splitter 162.
  • the first beam splitter 167 may be disposed at a rear end of the isolator 172 to divide a portion of the probe beam 31.
  • the split ratio of the first beam splitter 167 may be 100: 1.
  • the split probe beam 31 may be split again through the second beam splitter 162.
  • the splitting ratio of the second beam splitter 162 may be 50:50.
  • the beam split through the second beam splitter 162 may be provided to the reference cell 163. Meanwhile, another beam split through the second beam splitter 162 may be provided to the light source output detector 150.
  • the second beam splitter 162 may provide a portion of the probe beam 31 to the reference cell 163.
  • the reference cell 163 may be a transparent cell sealing a material to be measured. Accordingly, when the frequency variable laser beam passes through the reference cell 163, a transmission spectrum (or an absorption spectrum) may appear.
  • the material may be N 2 O, He, CH 4, or the like.
  • the laser light transmitted through the reference cell 163 may be provided to the band pass filter 164.
  • the band pass filter 164 may remove noise components having wavelengths other than the predetermined absorption line band of the material.
  • the band pass filter 164 may be a band pass filter that passes the modulation frequency band of the probe beam 31. The light passing through the band pass filter 164 is provided to the reference cell photodetector 166.
  • the reference cell photodetector 166 may convert an optical signal into an electrical signal.
  • the reference cell photo detector may be a photodiode.
  • the frequency stabilization detection signal of the reference cell photodetector 166 may show a peak at the central optical optical frequency.
  • the frequency stabilization detection signal of the reference cell photodetector 166 may be provided to the processor 140 for frequency stabilization control.
  • the processor 140 may include the function generator 147. Accordingly, it may be controlled to match the center optical frequency of the laser light source 110 to the peak position of the frequency stabilization detection signal.
  • the second beam splitter 162 may divide the probe beam 31 and provide it to the light source output detector 150.
  • the light source output detector 150 may measure the intensity-modulated and frequency-modulated probe beam 31.
  • the output signal of the light source output detector 150 has no influence due to an absorption spectrum, and thus can display only the result of intensity modulation of the laser light source.
  • the output signal Vint of the light source output detector 150 may be provided to the amplifier 146 which is an auxiliary lock.
  • the auxiliary lock-in amplifier 146 may measure the intensity modulation amplitude of the probe beam 31.
  • the auxiliary lock-in amplifier 146 may receive the reference signal of the modulation frequency from the function generator 147 to extract the intensity modulation amplitude ⁇ 1f of the first harmonic component of the modulation frequency.
  • the auxiliary lock-in amplifier may extract the intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency.
  • the intensity modulation amplitude ⁇ 1f of the first harmonic component of the modulation frequency and the intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency are provided to the arithmetic processing unit 144, and the arithmetic processing unit 144 It may be used as an initial setting variable value for calculating the absorbance of the measurement target (10).
  • the laser light source unit 110 has a constant intensity modulation characteristic, the intensity modulation amplitude ⁇ 1f of the first harmonic component of the modulation frequency and the intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency ) Is not measured and can be replaced by a setpoint.
  • the auxiliary lock-in amplifier 146 is used only once in the initial operation state, and the intensity modulation amplitude ⁇ 1f of the first harmonic component of the modulation frequency from the output signal of the light source output detector 150 or the light source intensity signal; The intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency may be extracted.
  • the beam extension may be disposed at the rear end of the isolator 172 or the rear end of the first beam splitter 167.
  • the beam extension may enlarge the beam size of the probe beam 31 to generate parallel light smaller than the aperture of the objective lens.
  • the beam processor 440 may be disposed at the rear end of the first beam splitter 167 or the rear end of the beam extension 480.
  • the beam processor 440 may provide the viewing beam and the probe beam 31 to the objective lens.
  • the beam processor 440 may include a measurement beam splitter 442 and a dichroic mirror 444.
  • the measurement beam splitter 442 may receive and transmit the probeam output by the frequency and intensity modulation spectroscopic processor 410, and may reflect the laser absorption signal 32 traveling from the measurement target 10. .
  • the dichroic mirror 444 may reflect the incident beam and transmit the probeam to the objective lens 450.
  • the wavelength of the probe beam 31 may be a mid-infrared band, and the wavelength of the viewing beam may be a visible light band.
  • the dichroic mirror 444 may combine the field of view beam 41 and the probe beam 31 to provide the objective lens.
  • the field of view light source 420 may output a visible beam in the visible light band.
  • the viewing beam may be a monochromatic light source or a multicolor light source.
  • the viewing beam may be a conventional light source for illumination.
  • the field of view beam may be irradiated onto the measurement target 10 to be used to obtain an image of the measurement target 10.
  • the full view light source 420 may be a broadband light source such as an LED.
  • the display field light source 420 may include a display field light emitting unit 422, a first lens 424 for converging a field beam of the display field light emitting unit 422 to the optical fiber 426, and the optical fiber 426. It may include a second lens 428 to focus the output light of.
  • the dichroic mirror 444 may combine the field of view beam 41 and the probe beam 31 to provide the same optical path.
  • the dichroic mirror 444 can transmit the probe beam 31 and reflect the field of view beam to provide the same optical path.
  • the viewing beam and the probe beam 31 may be selectively provided to the measurement target 10. In the measurement, the viewing beam may be removed and the probe beam 31 may scan the measurement object 10. Alternatively, in the measurement, the viewing beam and the probe beam 31 may be irradiated to the measurement target 10 at the same time.
  • the objective lens may focus the probe beam 31 at its focal point.
  • the measurement position of the measurement target 10 disposed at the focal point of the objective lens may generate a laser absorption signal by the focused provo beam.
  • the viewing beam does not enter the objective lens as parallel light.
  • the field of view beam is spread out and irradiated around the focal point of the objective lens.
  • the reflected field beam reflected from the measurement object 10 is again reflected by the dichroic mirror through the objective lens.
  • the probe beam 31 is irradiated to the measurement target 10.
  • the measurement target 10 may generate the modulated laser absorption signal 32 by absorbing the probe beam 31.
  • the probe beam 31 may be reflected, transmitted, or scattered in the measurement target 10.
  • the probe beam 31 may be backscattered or reflected and converted into a laser absorption signal.
  • the laser absorption signal is converted into parallel light through the objective lens 450, passes through the dichroic mirror 444 and is reflected by the measuring beam splitter 442.
  • the laser absorption signal reflected by the measuring beam splitter 442 is provided to the light sensing unit 130 through the focusing lens 441.
  • the light sensing unit 130 may be a photodiode.
  • the photodetector 130 may be a semiconductor optical device that reacts in the infrared region.
  • the light sensing unit 130 may use an HgCdZnTe-based material.
  • the light detector 130 may receive a laser absorption signal.
  • the output signal of the light detector 130 may be converted into a laser absorption signal Vsig, which is an electrical signal.
  • the laser absorption signal 32 may include first and second harmonic components of the modulation frequency by frequency modulation and intensity modulation of the laser light source.
  • the first harmonic component is mainly due to the intensity modulation
  • the second harmonic component is an intensity modulation amplitude ⁇ 2f of the second harmonic component of the modulation frequency and an absorption line modulation width of the second harmonic component of the modulation frequency. It can depend mainly on
  • the processing unit 140 extracts a first harmonic component M 1f of the modulation frequency and a second harmonic component M 2f of the modulation frequency by using the laser absorption signal of the light sensing unit 130. 142 and the probe by the measurement target 10 using the ratio M 1f / M 2f of the first harmonic component M1 of the modulation frequency and the second harmonic component M2 of the modulation frequency.
  • the calculation processing unit 144 may calculate the absorbance of the beam 31.
  • the lock-in amplifier 142 is a two-channel lock-in amplifier and may simultaneously extract the first and second harmonic components M 1f and M 2f of the modulation frequency from the laser absorption signal.
  • the lock-in amplifier 142 may receive a reference signal of the modulation frequency from the function generator 147.
  • the first and second harmonic components M1f and M2f of the modulation frequency of the laser absorption signal are provided to the calculation processing unit 144, and the calculation processing unit 144 absorbs the absorbance A 0 of the measurement target 10. ) Can be calculated.
  • the calculation processor 144 may be a computer.
  • the arithmetic processing unit 144 receives the laser absorption signal in real time instead of the lock-in amplifier, and performs Fourier transform, and the first harmonic component M 1f of the modulation frequency and The second harmonic component M 2f can be extracted.
  • the 2D beam scanner may be disposed between the objective lens and the beam processor 440 to scan the probe beam 31.
  • the 2D beam scanner may include a pair of scanning mirrors and a relay optical system.
  • the pair of scanning mirrors may be a galvano scanner.
  • the relay optical system may inject a beam scanned by the galvano scanner to the objective lens.
  • the reflected field beam reflected from the dichroic mirror may include an image of a measurement position of the measurement object 10.
  • the reflected field beam may pass through the objective lens 450 and be reflected by the beam processor 440 or the dichroic mirror 444 to be provided to the auxiliary beam splitter 434.
  • the auxiliary beam splitter may transmit a viewing beam and reflect a reflective viewing beam.
  • the camera may convert the image of the measurement target 10 into a measurement image.
  • the measured image may be displayed on a display or stored in a memory.
  • the measurement target 10 may be mounted on the moving stage 460.
  • the moving stage may be a biaxial stage 462.
  • the through hole may be disposed at the center of the moving stage 460, and the measurement target 10 may be disposed on the through hole.
  • the measurement object 10 may be coated on the substrate 11 in the form of a thin film.
  • the substrate 11 may be a glass substrate or a plastic substrate.
  • the measurement object 10 may be an organic material or an inorganic material.
  • the chemical species of the measurement target 10 may be variously selected as long as it has an absorption line in the infrared range.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a light frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy method according to an embodiment of the present invention.
  • Modulating the optical frequency of the probe beam at a modulation frequency f m in a predetermined frequency band and modulating the intensity of the probe beam at the modulation frequency f m (S110); Providing a frequency and intensity modulated probe beam to a measurement position of a measurement object using an objective lens (S120); Providing a visible beam of a visible light band to the measurement position of the measurement target by using the objective lens (S130); And converting a laser absorption signal generated by resonance absorption by the measurement target provided with the probe beam into an electrical signal, and converting the first harmonic component and the second high frequency component of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal. It includes; extracting (S140).
  • the absorbance can be used to measure the thickness, concentration, density, and presence of chemical species of the measurement target.
  • the 2D beam scanner 470 may scan the probe beam incident on the objective lens 450 in two dimensions.
  • the beam extension 480 may adjust the size of the probe beam 31 to match the size of the probe beam 31 to the aperture of the objective lens 450.
  • the auxiliary beam splitter 434 and the camera 432 may image the visual field beam reflected from the measurement target 10.
  • FIGS. 1 to 9 are views illustrating an optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy apparatus according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIGS. 1 to 9 will be omitted.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer 500 includes a display field light source 420, a frequency and intensity modulated spectral processor 410, a beam processor 540, and an objective lens 450. ).
  • the display field light source 420 outputs a visible beam in the visible light band.
  • the frequency and intensity-modulation spectroscopy processing unit 410 by a frequency modulation, modulated with a frequency (f m), modulating the intensity of the laser beam intensity of a light modulation frequency frequency (f m) of the laser beam, the probe beam (31) Outputs, converts a laser absorption signal generated by resonance absorption by the measurement target 10 provided with the probe beam 31 into an electrical signal, and converts the first absorption signal of the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal. Harmonic components and second high frequency components are extracted.
  • the beam processor 540 provides the viewing beam and the probe beam 31 to the objective lens.
  • the objective lens 450 provides the field-of-view beam to the measurement target 10 as display field light, and focuses the probe beam 31 at its focal point to provide the measurement position to the measurement target 10. It includes a lens.
  • the frequency and intensity modulation spectroscopic processor 510 may include an isolator 172 and polarizers 179 disposed on the beam splitters 167 and 162.
  • the polarizer 179 may convert the laser beam provided by the laser light source into a probe beam 31 having a specific polarization.
  • the beam processing unit (540) receives and transmits the polarized probeam (31) and reflects the laser absorption signal (32) traveling from the measurement target (10).
  • a quarter wave plate 543 disposed at the rear end of the polarizing beam splitter, and a dichroic mirror 544 that reflects the field of view beam and transmits the polarized probeam to the objective lens 450. can do.
  • the polarization beam splitter 542 may transmit the polarized probeam 31 and reflect the laser absorption signal 32 to the light sensing unit 130.
  • the quarter wave plate 543 may provide a 90 degree phase difference between polarized components. Accordingly, the quarter wave plate 543 may function as a half wave plate when the beam reciprocates the quarter wave plate. Accordingly, the linearly polarized beam in a specific direction incident on the quarter wave plate may be converted into a polarized beam rotated 90 degrees after being reciprocated. Accordingly, the polarization beam splitter 542 may reflect the polarized beam rotated by 90 degrees.
  • the dichroic mirror 544 may transmit the polarized probe beam 31 and reflect the field of view beam 41 to the objective lens 450. In addition, the dichroic mirror 544 may transmit the laser absorption signal 32 traveling from the measurement target 10 and may reflect the reflected field beam 42.
  • FIG. 11 is a view for explaining an optical frequency and intensity modulated laser absorption spectroscopy apparatus according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIGS. 1 to 9 will be omitted.
  • the optical frequency and intensity modulated laser absorption spectrometer 600 includes a display field light source 420, a frequency and intensity modulated spectral processor 410, a beam processor 640, and an objective lens 450. ).
  • the field of view light source 420 outputs the field of view beam 41 in the visible light band.
  • the frequency and intensity-modulation spectroscopy processing unit 410 by a frequency modulation, modulated with a frequency (f m), modulating the intensity of the laser beam intensity of a light modulation frequency frequency (f m) of the laser beam, the probe beam (31) Outputs the laser absorption signal 32 generated by resonance absorption by the measurement target 10 provided with the probe beam 31 to an electrical signal, and converts the modulation frequency f m from the converted laser absorption signal.
  • the first harmonic component and the second high frequency component of are extracted.
  • the beam processor 640 provides the viewing beam 41 and the probe beam 31 to the objective lens 450.
  • the objective lens 450 provides the field of view beam 41 to the measurement target 10 as display field light, and focuses the probe beam 31 at its focal point at the measurement position of the measurement target 10. It provides an objective lens 450.
  • the beam processor 640 may include a dichroic mirror.
  • the dichroic mirror can transmit the probe beam 31 and reflect the field of view beam 41.
  • the objective lens 450 may focus the probe beam 31 and provide it to the measurement target 10. In addition, the objective lens 450 may provide the irradiation beam to the measurement target 10.
  • the field of view beam 41 reflected from the measurement target 10 is provided to the objective lens 450, and the reflected field beam passing through the objective lens is provided by the beam processing unit 640 by the auxiliary beam splitter ( 434 may be provided.
  • the probe beam 31 may pass through the measurement target 10 to generate a laser absorption signal 32.
  • the auxiliary lens 692 may be disposed at the rear end of the measurement target 10, and the auxiliary lens 692 may focus the laser absorption signal 32 passing through the measurement target 10.
  • An optical filter 694 may be disposed at the rear end of the auxiliary lens 692.
  • the optical filter 694 may be a band pass filter selectively transmitting only the wavelength band of the probe beam 31.
  • the laser absorption signal 32 passing through the optical filter may be provided to the light sensing unit 130.
  • the light detector 130 may convert the laser absorption signal into an electrical signal.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법를 제공한다. 이 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 가시광선 대역의 시야 빔을 출력하는 전시야 광원; 레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔을 출력하고, 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 주파수 및 강도 변조 분광 처리부; 상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔을 대물 렌즈에 제공하는 빔 처리부; 상기 시야 빔을 상기 측정 대상에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈를 포함한다.

Description

광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법
본 발명은 레이저 분광(laser spectroscopy) 기술에 관한 것으로, 더 구체적으로 검출하고자 하는 특정 물질의 공명 흡수선 주파수(resonant absorption frequency)를 중심으로 주파수 변조 (frequency modulation)되는 레이저를 이용한 고감도 흡수 분광 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
현미경은 주로 미세 크기의 측정 대상의 상을 확대시키는 기구이다. 현미경은 측정 대상을 주로 육안으로 보거나 카메라와 같은 촬상 수단을 통하여 화면에 표시한다. 상기 현미경은 특정 물질을 검출하고, 상기 특정 물질의 두께, 농도, 또는 흡수도 등을 검출할 필요가 있다.
한국 공개특허 2007-0089962는 CARS 현미경을 이용한 유기 박막의 화학종 및 두께동시 광학분석장치를 개시하고 있다. 구체적으로, 한국 공개특허 2007-0089962는 높은 공간 정밀도하에서 유기 박막의 화학종 및 두께를 비파괴적인 방법으로 동시에 분석하는 장치를 제시한다. 이러한 CARS 현미경은 기구적으로 복잡하고 노이즈에 취약하다.
고분자 및 유기 단분자 박막은 최근 산업적인 측면에서 그 중요성이 매우 커지고 있다. 특히 집적회로소자 등 반도체 산업 및 다양한 형태의 모바일 제품의 다중형 기판의 사용 및 이의 패키징, 고분자 혹은 비교적 적은 분자량의 유기분자의 박막을 이용하여 개발-생산되는 display 소자뿐만 아니라 자동차의 외장이나 그리고 소형 모바일폰의 외형 형태를 생산하는 분야에서 고분자 박막의 고품질의 코팅 및 두께의 정밀 조절은 생산품의 성능 및 외향을 결정하는 중요한 요소기술로써 이해될 수 있다. 또한 최근의 바이오 및 메디칼 분야에서의 생물학적인 특성을 갖는 단백질을 포함하는 다양한 형태의 고분자의 유용성 증가에 따라 그 중요성이 날로 증가하고 있다. 예를 들어 재생의학적인 측면에서 중요한 피부 등 조직공학적인 재생에서 사용되는 template에서의 생물학적으로 유용한 고분자 및 다양한 형태의 임플란트의 표면을 처리하는데 있어 고분자 및 분자소재의 박막의 두께 등 그 특성은 전체 개발 및 생산물의 성능을 좌우한다고 알려져 있다.
현재 이러한 중요성을 갖는 고분자 박막에 대한 측정 및 성능평가는 주로 프리에 트랜스폼 적외선 분광법 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR) 및 혹은 선형적인 라만 분광법 등 직접적인 분자의 진동모드를 측정하는 방법이나 흡수 혹은 광발광과 같은 분자내 전자전이를 이용하여 측정하는 방법, 광학적으로 대상 박막에 의한 굴절률과 위상차의 변화에 근거하는 광-간섭현상이나 에립소메트리(ellipsometry) 방법 등이 알려져 있다.
그 중 적외선 분광법은 전통적으로 가장 광범위하게 잘 알려져 있는 방법으로 유기분자 내 진동에 의한 적외선 영역에서의 전자기파(광)의 흡수 현상에 기인한 것으로써 분자의 화학적 구조 변화에 매우 민감하나 적외선 사용으로써 공간적인 분해능을 마이크론 사이즈로 향상하거나 매우 얇은 박막을 측정하기에는 부적절하다.
전자 전이에 의한 흡수나 광발광 현상에 의거하는 측정방법은 공간적인 분해능 및 두께 변이에 대한 측정법으로써 매우 뛰어나나 유기분자 특히 고분자의 화학구조변화에 대한 변화가 매우 떨어진다. 따라서 고분자의 화학구조를 알고 있는 경우 혹은 단일 화학종으로 형성된 고분자 박막의 경우에는 매우 유용하게 사용될 수 있으나 그렇지 않은 경우에는 그 적용성이 제한적이다. 광 굴절률에 의거하여 개발된 측정기술 (광 간섭법과 ellipsometry)은 화학종이 하나이며 굴절률이 정밀하게 알려져 있는 경우에는 이제까지 알려져 있는 측정기술 중 가장 좋은 정밀도를 갖는 박막 두께 결정 기술이나 그렇지 않은 경우 특히 유기분자의 종에 대하여 자체적으로 분석할 수 없으므로 두 종류이상의 화학종으로 구성되는 박막의 경우에는 적용할 수 없다.
한편 선형적인 라만(RAMAN) 분광기술 (FT 혹은 cw, continuos wave)은 공간적인 분해능은 광 회절 한계에 도달할 수 있으며 화학종을 분석할 수 있는 등 그 장점이 있으나 감도의 문제점과 두께에 대한 신호의 세기가 매우 복잡하게 의존함으로 매우 얇은 박막의 경우 그 적용성이 제한적이다. 이러한 감도 문제점을 극복하기 위하여 최근 SERS (Surface Enhanced RAMAN Spectroscopy)와 같은 기술의 진보를 이루기 위한 시도를 활발하게 이루고 있으나 신호의 세기가 고분자의 박막의 두께에 대한 의존성이 시료별로 달라지는 특성에 의하여 그 응용성에 제한적이다.
분자의 화학적 구조 변화에 매우 민감하고, 공간적인 분해능이 높고, 매우 얇은 박막을 선택적으로 측정할 수 있는 흡수 분광 방법이 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 특정 물질을 선택적으로 검출하는 고감도 레이저 흡수분광 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 레이저 주파수/강도 변조(FM/IM) 흡수분광 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은, 주파수와 강도를 동시에 변조시키는 레이저 광원을 채용하여 생성한 시료의 흡수분광 신호를 취득/처리/계산함으로써, 주파수 변조(FM) 흡수분광 기술에 비해 (i) 신호 규격화 과정의 신호대잡음비 특성과 신뢰도를 향상시키고, (ii) 레이저 출력광의 강도 변조(IM) 및 요동이 존재하는 상황에서도 신호 처리하여, 측정 대상의 흡수도(absorbance)를 우수한 측정 감도와 정확도로 정량화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 가시광선 대역의 시야 빔을 출력하는 전시야 광원; 레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔을 출력하고, 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 주파수 및 강도 변조 분광 처리부; 상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔을 대물 렌즈에 제공하는 빔 처리부; 상기 시야 빔을 상기 측정 대상에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부는 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부; 상기 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및 상기 광감지부의 출력 신호인 상기 변환된 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 포함할 수 있다.
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 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 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부는 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 변조 진폭(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 처리부를 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 구성된 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 기준 셀 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, 상기 빔 처리부는 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부가 출력하는 상기 프로빔을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호를 반사시키는 측정 빔 분할기; 및 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔을 제공받아 소정으로 방향으로 편광된 프로브 빔을 출력하는 편광판을 더 포함할 수 있다. 상기 빔 처리부는 상기 편광된 프로빔을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호를 반사시키는 편광 빔 분할기; 상기 편광 빔 분할기의 후단에 배치된 1/4 파장판; 및 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 편광된 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 보조 빔 분할기; 및 카메라를 더 포함할 수 있다. 상기 시야 빔은 상기 측정 대상에서 반사되어 반사 시야 빔을 생성하고, 상기 반사 시야 빔은 상기 대물렌즈를 투과하여 상기 빔 처리부에서 반사되어 상기 보조 빔 분할기에 제공될 수 있다. 상기 보조 빔 분할기는 상기 반사 시야 빔을 반사시키어 상기 카메라에 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대물 렌즈와 상기 빔 처리부 사이에 배치되어 상기 프로브 빔을 주사하는 2D 빔 스케너를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 빔 처리부는 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울; 상기 측정 대상을 투과한 상기 레이저 흡수 신호를 집속하는 보조 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 보조 렌즈는 상기 집속된 레이저 흡수 신호를 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 단계; 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 대물 렌즈를 사용하여 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 단계; 가시광선 대역의 시야 빔을 상기 대물 렌즈를 사용하여 상기 측정 대상의 상기 측정 위치에 제공하는 단계; 및 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 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 단계; 상기 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계; 및 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 이용하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대물 렌즈에 입사하는 상기 프로브 빔을 2차원적으로 주사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프로브 빔의 사이즈를 상기 대물 렌즈의 구경에 맞도록 상기 프로브 빔의 사이즈를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상에서 반사된 시야 빔을 영상화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 주파수와 강도를 동시에 변조시키는 레이저 광원을 채용하여 전기신호로 변환된 레이저 흡수 신호를 취득 및 처리 및 계산한다.
상기 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 종래의 주파수 변조(FM) 흡수분광 측정법에 비해 검출 신호에 대한 규격화 처리 과정이 우수한 신호대잡음비 특성과 신뢰도를 향상시킨다. 또한 상기 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은 레이저 출력광의 강도 변조(IM) 및 요동이 존재하는 상황에서도 신호처리하여, 검출하고자 하는 화학종의 흡수도(absorbance)를 우수한 측정 감도와 정확도로 정량화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 측정 대상을 현미경을 적용하여 육안으로 보거나 카메라와 같은 촬상 수단을 통하여 화면에 표시한다. 상기 장치는 특정 물질을 검출하고 특정 물질의 두께, 농도, 또는 흡수도 등을 높은 감도와 공간 분해능으로 영상화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 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 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분자의 화학적 구조 변화에 매우 민감하고, 공간적인 분해능이 높고, 매우 얇은 박막의 측정하는 흡수 분광 방법이 제공된다.
이를 위해, 고감도/저잡음 레이저 FM 흡수 분광 기법은 특정 화학종에만 선택적으로 흡수되는 흡수선 광주파수를 중심으로 주파수 변조(FM: frequency modulation)된 레이저를 이용할 수 있다. 간단히 원리를 설명하면, 측정 대상의 흡수선의 광 주파수(absorption line optical frequency)를 중심으로 소정의 선폭을 가지고 변조 주파수로 주파수 변조된 레이저 광이 상기 측정 대상에 조사되면, 상기 변조 주파수가 2배로 배가된 레이저 흡수 강도 변조 신호가 얻어진다. 레이저 흡수 강도 변조 신호를 전기신호로 변환하여 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 록인 증폭검출(lock-in detection)하면, 측정 대상의 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), 측정 레이저 경로 상에서의 광 감쇠 (attenuation), 및 측정 대상의 측정 위치에서 측정 대상 표면의 공간적으로 균일하지 않은 후방산란 효율(backscattering efficiency) 등을 고려하여 측정 신호광의 강도는 규격화(normalization)되어야 한다.
측정 대상을 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 흡수도(absorbance) 정량화를 불가능하게 한다. 따라서, 특정 물질의 공간 분포가 필요한 경우, 주파수 변조(FM) 흡수분광 측정법은 적용되기 어렵다. (ii) 일반적으로 검출되는 레이저 광은 강도가 미약하기 때문에, 측정 대상 표면에서의 후방산란 효율 불균일성을 규격화하기 위한 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 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 시료의 흡수도를 정량화려면, 레이저 흡수분광 신호에 포함된 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 레이저 신호 전체의 DC 레벨로 규격화하는 과정이 반드시 요구된다. 측정하고자 하는 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 주파수 변조(FM) 흡수분광 측정에 있어서, 앞에 서술한 (i) 주파수 변조(FM) 레이저 광원의 강도 변조(IM) 문제를 해결하고, (ii) 검출 신호에 대한 규격화 처리 과정이 우수한 신호대잡음비 특성을 가지도록 고안된 레이저 주파수/강도 변조 분광 장치와 흡수도 정량화 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 검출하고자 하는 화학종 (chemical species) 고유의 공명 흡수선(resonant absorption line)을 중심으로 광주파수와 출력 강도가 동시에 변조되는 레이저 빔은 측정 대상에 제공되고, 공간적으로 스캔(scan)할 수 있다. 측정 대상 표면으로부터 후방산란되거나 투과되는 레이저 흡수 신호는 수집되고, 2-채널 록인 증폭(2-channel lock-in detection)될 수 있다. 신호 처리/계산 과정을 통해서 특정 대상의 화학종에 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 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 측정 대상으로부터 검출되는 레이저 흡수 신호의 2-채널 록인 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질의 투과 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 특정한 단일 흡수선(E)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 물질은 N2O이다. 상기 N2O 의 투과 스펙트럼(또는 흡수 스펙트럼)은 복수의 흡수선들을 포함한다. 이들 중에서 관심있는 하나의 흡수선(E)이 선택될 수 있다. 상기 흡수선(E)은 특정 물질을 검출하기 위하여 사용될 수 있다.
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. 상기 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 물질의 흡수 스펙트럼에 안정화된 사인 함수일 수 있다. 구체적으로 상기 레이저의 광주파수(fcm)는 다음과 같이 주어질 수 있다. 상기 레이저의 광 주파수(υ)는 υ0+ Δυmod cos(2πfmt) 일 수 있다.
여기서, fm은 변조 주파수이고, υ0는 흡수선의 중심 광주파수이고,Δυmod는 변조진폭이고, t는 시간이다.
상기 레이저의 광주파수는 시간에 따라 사인파의 형태를 가지는 경우, 누설 물질을 투과한 광은 상기 측정 대상의 상기 흡수선에 의하여 변형되어 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분을 포함한다. 따라서, 변조 주파수(fm)의 2차 고조파 성분은 상기 측정 대상의 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 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(400)는 전시야 광원(420), 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410), 빔 처리부(440), 및 대물렌즈(450)를 포함한다. 상기 전시야 광원(420)은 가시광선 대역의 시야 빔(41)을 출력한다. 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410)는 레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔(31)을 출력하고, 상기 프로브 빔(31)을 제공받은 측정 대상(10)이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출한다. 상기 빔 처리부(440)는 상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔(31)을 대물 렌즈에 제공한다. 상기 대물렌즈(450)는 상기 시야 빔을 상기 측정 대상(10)에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔(31)을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상(10)의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈를 포함한다.
상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410)는 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부(110), 상기 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 광감지부(130), 및 처리부(140)를 포함한다. 상기 처리부(140)는 상기 광감지부(130)의 출력 신호인 상기 변환된 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 대상(10)에 의한 상기 프로브 빔(31)의 흡수도를 산출한다.
도 4 및 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(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 수 있다.
상기 공명 흡수도(A0) 또는 흡수도는 상기 측정 대상(10)에 의하여 흡수되는 빛의 세기에 의존할 수 있다. 상기 측정 대상(10)에서 반사되거나, 후방 산란되거나, 투과된 레이저 흡수 신호(32)에서 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분은 상기 흡수도와 상기 흡수선 변조 폭의 곱에 의존할 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)의 광주파수가 상기 측정 대상(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 흡광도는 최대일 수 있다. 이에 따라, 상기 프로브 빔(31)은 상기 측정 대상(10)에서 반사, 투과, 또는 산란되어 상기 레이저 흡수 신호로 변환될 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)의 광주파수는 상기 측정 대상(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 레이저 흡수 신호는 최소의 세기를 가질 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원부(110)의 광주파수가 상기 측정 대상(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수에서 가장 멀어진 경우, 상기 레이저 흡수 신호는 최대의 세기를 가질 수 있다. 상기 프로브 빔(31)의 주파수 변조에 의하여, 상기 레이저 흡수 신호(32)는 주로 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분을 포함할 수 있다.
레이저 (프로브 빔)의 중심 광주파수는 화학종 선택적 공명 흡수선의 중심 광주파수(υ0)에 맞추질 수 있다. 화학종 선택적 공명 흡수선의 폭은 Δabs일 수 있다. 레이저의 변조 주파수는 fm일 수 있다. 레이저의 변조 주파수의 변조 폭은Δυmod 일 수 있다. 상기 레이저의 광 주파수는 υ0 + Δυmod cos(2πfmt) 일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 레이저 광원부(110)가 변조 주파수(fm)로 주파수 변조(FM) 및 강도 변조(IM)를 수행하는 경우, 상기 프로브 빔(31)의 광주파수가 시간에 따라 표시된다. 상기 프로브 빔(31)은 특정한 주파수 대역(2Δυmod)의 범위 내에서 변조 주파수(fm)로 주파수 변조될 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)의 프로브 빔(31)은 상기 변조 주파수(fm)으로 강도 변조되고, 기생적으로, 상기 레이저 광원부(110)의 프로브 빔(31)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(31)은 상기 측정 대상(10)에서 반사, 투과, 또는 산란되어 상기 레이저 흡수 신호(32)로 변환될 수 있다. 상기 레이저 광원부(110)의 광주파수는 상기 측정 대상(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수와 일치할 경우, 상기 레이저 흡수 신호(32)는 최소의 세기를 가질 수 있다. 또한, 상기 레이저 광원부의 광주파수가 상기 측정 대상(10)의 특정 흡수 스펙트럼의 중심 광주파수에서 가장 멀어진 경우, 상기 레이저 흡수 신호(32)는 최대의 세기를 가질 수 있다. 한편, 상기 레이저 광원부(110)는 강도 변조를 동반하기 때문에, 상기 레이저 흡수 신호(32)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(32)의 파형이 이론적으로 설명된다.
상기 프로브 빔(31)은 강도 변조에 의하여 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분(Δ1f) 및 2차 고조파 성분(Δ2f)을 포함하는 경우, 상기 프로브 빔(31)의 파워는 다음과 표시된다.
Figure PCTKR2015010538-appb-M000001
여기서, PL은 상기 프로브 빔(31)의 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.
Figure PCTKR2015010538-appb-M000002
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(32)는 전기신호(Vsig)로 변환될 수 있다. 상기 흡수 변조와 상기 프로브 빔(31)의 파워의 곱으로 다음과 같이 표시될 수 있다. 상기 레이저 흡수 신호(Vsig)는 광감지부에 의하여 전기 신호로 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2015010538-appb-M000003
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 박막인 경우, 상기 박막의 두께 및 특정 화학종의 밀도에 의존할 수 있다. 따라서, 상기 특정 화학종의 존부 및 상기 특정 화학종의 의 밀도가 확인될 수 있다. 또한, 상기 특정 화학종의 밀도가 알려진 경우, 상기 박막의 두께가 산출될 수 있다. 상기 프로브 빔이 공간적으로 주사되는 경우, 공명 흡수도 영상(밀도 영상 또는 두께 영상)이 얻어질 수 있다.
상기 계수 비(S=M2f/M1f)는 측정 대상의 흡수도(A0)를 산출하기 위하여 이용된다. 이 때, 상기 계수 비(S=M2f/M1f)는 레이저의 불규칙한 강도 요동과 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 록인 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. 구체적으로, 상기 측정 대상이 유리 기판 상에 코팅된 박막인 경우, 수 nm 이하의 두께에 기인한 특정 화학종이 검출될 수 있다.
다시, 도 4를 참조하면, 측정 대상(10)은 액체, 기체, 또는 고체일 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 벌크 형태 또는 박막의 형태일 수 있다.
예를 들어, 특정 물질( 또는 특정 화학종)을 검출을 위하여, 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 물질 별로 중심 광주파수를 변경할 수 있다. 검출용 광주파수/강도 변조 레이저 흡수 분광 장치는 복수의 물질을 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 물질의 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(31)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 빔(31)의 강도는 상기 변조 주파수로 변조될 수 있다. 상기 프로브 빔(31)의 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(32)로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 2차 고조파 성분을 추출할 수 있다. 또한, 상기 보조 록인 증폭기(146)는 상기 프로브 빔(31)의 강도 신호(Vint)로부터 상기 변조 주파수의 1차 고조파 성분 및 2차 고조파 성분을 추출하여, 강도 변조 진폭을 추출할 수 있다.
상기 레이저 광원부(110)의 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(31)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 빔(31)의 중심 광주파수를 상기 측정 물질의 특정 흡수 스펙트럼의 중심에 일치시키기 위하여 상기 측정 대상(10)을 구성하는 물질로 채워진 기준 셀(163), 상기 기준 셀(163)에 상기 프로브 빔(31)의 일부를 제공하도록 상기 프로브 빔(31)을 분할하는 빔 분할기(167, 162), 상기 기준 셀(163)을 통과한 기준 프로브 빔(31)을 측정하여 전기 신호로 변환하는 기준셀 광감지부(166), 및 상기 기준셀 광감지부(166)와 상기 기준 셀(163) 사이에 배치되어 상기 프로브 빔(31)을 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 빔(31)의 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 빔(31)의 일부를 분할할 수 있다. 상기 제1 빔 분할기(167)의 분할 비율은 100:1 수준일 수 있다. 상기 분할된 프로브 빔(31)은 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 감지부(150)에 제공될 수 있다.
상기 제2 빔 분할기(162)는 상기 프로브 빔(31)의 일부를 상기 기준 셀(163)에 제공할 수 있다. 상기 기준 셀(163)은 측정하고자 하는 물질을 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 물질은 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 물질의 소정의 흡수선 대역 이외에 다른 파장을 가진 노이즈 성분을 제거할 수 있다. 상기 대역 통과 필터(164)는 프로브 빔(31)의 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 광감지부(166)의 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 빔(31)을 분할하고, 상기 광원 출력 감지부(150)에 제공할 수 있다. 상기 광원 출력 감지부(150)는 강도 변조 및 주파수 변조된 프로브 빔(31)을 측정할 수 있다. 상기 광원 출력 감지부(150)의 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 빔(31)의 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 대상(10)의 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(Δ1f) 및 상기 변조 주파수의 2차 고조파 성분의 강도 변조 진폭(Δ2f)을 추출할 수 있다.
상기 아이솔레이터(172)의 후단 또는 상기 제1 빔 분할기(167)의 후단에 빔 확장부가 배치될 수 있다. 상기 빔 확장부는 상기 프로브 빔(31)의 빔 사이즈를 확대하여 상기 대물 렌즈의 구경보다 작은 평행광을 생성할 수 있다.
상기 제1 빔 분할기(167)의 후단 또는 상기 빔 확장부(480)의 후단에는 빔 처리부(440)가 배치될 수 있다. 상기 빔 처리부(440)는 상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔(31)을 대물 렌즈에 제공할 수 있다.
상기 빔 처리부(440)는 측정 빔 분할기(442) 및 이색성 거울(444)을 포함할 수 있다. 상기 측정 빔 분할기(442)는 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410)가 출력하는 상기 프로빔을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상(10)으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호(32)를 반사시킬 수 있다. 상기 이색성 거울(444)은 입사하는 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈(450)에 제공할 수 있다. 상기 프로브 빔(31)의 파장은 중-적외선 대역이고, 상기 시야 빔의 파장은 가시 광선 대역일 수 있다. 상기 이색성 거울(444)은 시야 빔(41)과 상기 프로브 빔(31)을 결합하여 상기 대물 렌즈에 제공할 수 있다.
상기 전시야 광원(420)은 가시 광선 대역의 시야 빔을 출력할 수 있다. 상기 시야 빔은 단색 광원 또는 다색 광원일 수 있다. 상기 시야 빔은 통상의 조명용 광원일 수 있다. 상기 시야 빔은 상기 측정 대상(10)에 조사되어, 상기 측정 대상(10)의 이미지를 얻기 위하여 사용될 수 있다.
상기 전 시야 광원(420)은 LED와 같은 광대역 광원일 수 있다. 상기 전시야 광원(420)는 전시야 발광부(422), 상기 전시야 발광부(422)의 시야 빔을 집속하여 광섬유(426)에 제공하는 제1 렌즈(424), 및 상기 광섬유(426)의 출력광을 집속하는 제2 렌즈(428)를 포함할 수 있다.
상기 이색성 거울(444)은 상기 시야 빔(41)과 상기 프로브 빔(31)을 결합하여 동일한 광 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 이색성 거울(444)은 상기 프로브 빔(31)을 투과시키고, 상기 시야 빔을 반사시키어 동일한 광 경로를 제공할 수 있다. 상기 시야 빔과 상기 프로브 빔(31)은 선택적으로 상기 측정 대상(10)에 제공될 수 있다. 측정 시, 상기 시야 빔은 제거되고, 상기 프로브 빔(31)이 상기 측정 대상(10)을 주사할 수 있다. 또는, 측정 시, 상기 시야 빔과 상기 프로브 빔(31)은 상기 측정 대상(10)에 동시에 조사될 수 있다.
상기 대물 렌즈는 상기 프로브 빔(31)을 그 초점에 집속할 수 있다. 상기 대물 렌즈의 초점에 배치된 측정 대상(10)의 측정 위치는 상기 집속된 프로보 빔에 의하여 레이저 흡수 신호를 생성할 수 있다. 한편, 상기 시야 빔은 상기 대물 렌즈에 평행광으로 입사하지 않는다. 따라서, 상기 시야 빔은 상기 대물 렌즈의 초점 주위에서 넓게 퍼져서 조사된다. 상기 측정 대상(10)에서 반사된 반사 시야 빔은 다시 대물 렌즈를 통하여 상기 이색성 미러에서 반사된다.
상기 프로브 빔(31)은 상기 측정 대상(10)에 조사된다. 상기 측정 대상(10)은 상기 프로브 빔(31)을 흡수하여 변조된 레이저 흡수 신호(32)를 생성할 수 있다. 상기 프로브 빔(31)은 상기 측정 대상(10)에서 반사, 투과, 또는 산란될 수 있다. 반사식 현미경에 적용된 경우, 상기 프로브 빔(31)은 후방 산란되거나 반사되어 레이저 흡수 신호로 변환될 수 있다. 상기 레이저 흡수 신호는 상기 대물 렌즈(450)를 통하여 평행광으로 변환되고, 상기 이색성 미러(444)를 투과하고 상기 측정 빔 분할기(442)에서 반사된다. 상기 측정 빔 분할기(442)에서 반사된 레이저 흡수 신호는 상기 집속 렌즈(441)를 통하여 광감지부(130)에 제공된다.
상기 광감지부(130)는 포토다이오드일 수 있다. 상기 광감지부(130)는 적외선 영역에서 반응하는 반도체 광소자일 수 있다. 상기 광감지부(130)는 HgCdZnTe 계열의 물질을 사용할 수 있다. 상기 광감지부(130)는 레이저 흡수 신호를 제공받을 수 있다. 상기 광감지부(130)의 출력 신호는 전기신호인 레이저 흡수 신호(Vsig)로 변환될 수 있다. 상기 레이저 흡수 신호(32)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 대상(10)에 의한 상기 프로브 빔(31)의 흡수도를 산출하는 연산 처리부(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 대상(10)의 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.
2D 빔 스케너는 상기 대물 렌즈와 상기 빔 처리부(440) 사이에 배치되어 상기 프로브 빔(31)을 주사할 수 있다. 상기 2D 빔 스케너는 한 쌍의 스캐닝 거울과 릴레이 광학계를 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 스캐닝 거울은 갈바노 스케너(galvano scanner)일 수 있다. 상기 릴레이 광학계는 상기 갈바노 스케너에 의하여 스캐닝된 빔을 상기 대물 렌즈에 입사시킬 수 있다.
상기 이색성 거울에서 반사된 반사 시야 빔은 상기 측정 대상(10)의 측정 위치에 대한 이미지를 포함할 수 있다. 상기 반사 시야 빔은 상기 대물렌즈(450)를 투과하여 상기 빔 처리부(440) 또는 상기 이색성 미러(444)에서 반사되어 상기 보조 빔 분할기(434)에 제공될 수 있다. 상기 보조 빔 분할기는 시야 빔은 투과시키고, 반사 시야 빔은 반사시킬 수 있다. 상기 카메라는 상기 측정 대상(10)의 이미지를 측정 영상으로 변환할 수 있다. 상기 측정 영상은 디스플레이에 표시되거나 메모리에 저장될 수 있다.
상기 측정 대상(10)은 이동 스테이지(460)에 장착될 수 있다. 상기 이동 스테이지는 2축 스테이지(462)일 수 있다. 상기 이동 스테이지(460)의 중심에는 관통홀이 배치되고, 상기 관통홀 상에 측정 대상(10)이 배치될 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 기판(11) 상에 박막의 형태로 코팅될 수 있다. 상기 기판(11)은 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 유기물 또는 무기물일 수 있다. 상기 측정 대상(10)의 화학종은 적외선 범위에서 흡수선을 가지는 한 다양하게 선택될 수 있다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4 및 도 9를 참조하면, 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법은
소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 단계(S110); 주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 대물 렌즈를 사용하여 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 단계(S120); 가시광선 대역의 시야 빔을 상기 대물 렌즈를 사용하여 상기 측정 대상의 상기 측정 위치에 제공하는 단계(S130); 및 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계(S140);를 포함한다.
상기 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계(S140)는 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 단계; 상기 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계; 및 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 이용하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함한다. 상기 흡수도를 이용하여, 측정 대상의 두께, 농도, 밀도, 및 화학종의 존부를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2D 빔 스캐너(470)는 상기 대물 렌즈(450)에 입사하는 상기 프로브 빔을 2차원적으로 주사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 빔 확장부(480)는 상기 프로브 빔(31)의 사이즈를 상기 대물 렌즈(450)의 구경에 맞도록 상기 프로브 빔(31)의 사이즈를 조절할 수 있다.
본 발며의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 빔 분할기(434)와 카메라(432)는 상기 측정 대상(10)에서 반사된 시야 빔을 영상화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 9에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 및 도 10을 참조하면, 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(500)는 전시야 광원(420), 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410), 빔 처리부(540), 및 대물렌즈(450)를 포함한다. 상기 전시야 광원(420)은 가시광선 대역의 시야 빔을 출력한다. 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410)는 레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔(31)을 출력하고, 상기 프로브 빔(31)을 제공받은 측정 대상(10)이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출한다. 상기 빔 처리부(540)는 상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔(31)을 대물 렌즈에 제공한다. 상기 대물렌즈(450)는 상기 시야 빔을 상기 측정 대상(10)에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔(31)을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상(10)의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈를 포함한다.
상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(510)는 아이솔로레이터(172)와 빔 분할기(167,162)에 배치된 편광판(179)을 포함할 수 있다. 상기 편광판(179)은 레이저 광원부가 제공하는 레이저 빔을 특정한 편광을 가지는 프로브 빔(31)으로 변환할 수 있다.
상기 빔 처리부(540)는 상기 편광된 프로빔(31)을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상(10)으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호(32)를 반사시키는 편광 빔 분할기(542). 상기 편광 빔 분할기의 후단에 배치된 1/4 파장판(543), 및 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 편광된 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈(450)에 제공하는 이색성 거울(544)을 포함할 수 있다.
상기 편광 빔 분할기(542)는 상기 편광된 프로빔(31)을 투과시키고, 레이저 흡수 신호(32)를 반사시키어 상기 광 감지부(130)에 제공할 수 있다.
상기 1/4 파장판(543)은 편광된 성분들 사이에 90도 위상차를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 1/4 파장판(543)은 빔이 상기 1/4 파장판을 왕복하는 경우, 1/2 파장판으로 기능할 수 있다. 이에 따라, 상기 1/4 파장판에 입사하는 특정 방향으로 선형 편광된 빔은 왕복한 후에 90도 회전한 편광된 빔으로 변환될 수 있다. 이에 따라, 상기 편광 빔 분할기(542)는 90도 회전한 편광된 빔을 반사시킬 수 있다.
상기 이색성 거울(544)은 상기 편광된 프로브 빔(31)을 투과시키고 상기 시야 빔(41)을 반사시키어 상기 대물 렌즈(450)에 제공할 수 있다. 또한, 상기 이색성 거울(544)은 측정 대상(10)에서 진행하는 레이저 흡수 신호(32)를 투과시키고, 반사 시야 빔(42)을 반사시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치를 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 9에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 및 도 11을 참조하면, 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치(600)는 전시야 광원(420), 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410), 빔 처리부(640), 및 대물렌즈(450)를 포함한다. 상기 전시야 광원(420)은 가시광선 대역의 시야 빔(41)을 출력한다. 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부(410)는 레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔(31)을 출력하고, 상기 프로브 빔(31)을 제공받은 측정 대상(10)이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호(32)를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출한다. 상기 빔 처리부(640)는 상기 시야 빔(41) 및 상기 프로브 빔(31)을 대물 렌즈(450)에 제공한다. 상기 대물렌즈(450)는 상기 시야 빔(41)을 상기 측정 대상(10)에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔(31)을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상(10)의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈(450)를 포함한다.
상기 빔 처리부(640)는 이색성 거울을 포함할 수 있다. 상기 이색성 거울은 프로브 빔(31)을 투과시키고, 시야 빔(41)을 반사시킬 수 있다.
상기 대물 렌즈(450)는 상기 프로브 빔(31)을 집속하여 상기 측정 대상(10)에 제공할 수 있다. 또한, 상기 대물렌즈(450)는 상기 조사 빔을 측정 대상(10)에 제공할 수 있다. 상기 측정 대상(10)에서 반사된 시야 빔(41)은 상기 대물 렌즈(450)에 제공되고, 상기 대물 렌즈를 투과한 상기 반사된 시야 빔은 상기 빔 처리부(640)에 의하여 상기 보조 빔 분할기(434)에 제공될 수 있다.
상기 프로브 빔(31)은 상기 측정 대상(10)을 투과하여 레이저 흡수 신호(32)를 생성할 수 있다. 보조 렌즈(692)는 상기 측정 대상(10)의 후단에 배치되고, 상기 보조 렌즈(692)는 상기 측정 대상(10)을 투과한 상기 레이저 흡수 신호(32)를 집속할 수 있다. 상기 보조 렌즈(692)의 후단에는 광필터(694)가 배치될 수 있다. 상기 광필터(694)는 상기 프로브 빔(31)의 파장 대역만을 선택적으로 투과시키는 대역 통과 필터일 수 있다. 상기 광 필터를 통과한 상기 레이저 흡수 신호(32)는 광감지부(130)에 제공될 수 있다. 상기 광감지부(130)는 전기 신호로 레이저 흡수 신호를 변환할 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.

Claims (17)

  1. 가시광선 대역의 시야 빔을 출력하는 전시야 광원;
    레이저 빔의 광주파수를 변조 주파수(fm)로 주파수 변조하고, 상기 레이저 빔의 강도를 변조 주파수(fm)로 강도 변조하여 프로브 빔을 출력하고, 상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 주파수 및 강도 변조 분광 처리부;
    상기 시야 빔 및 상기 프로브 빔을 대물 렌즈에 제공하는 빔 처리부;
    상기 시야 빔을 상기 측정 대상에 전시야 광으로 제공하고, 상기 프로브 빔을 그 초점에 집속하여 상기 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부는:
    소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 레이저 빔의 강도를 변조하는 레이저 광원부;
    상기 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 광감지부; 및
    상기 광감지부의 출력 신호인 상기 변환된 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 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 광원부는 양자 케이스케이드 레이저(quantum cascade laser)인 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  4. 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 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  5. 제2 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 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부는 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 변조 진폭(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 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  7. 제2 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 구성된 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 기준 셀 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 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 처리부는:
    상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부가 출력하는 상기 프로빔을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호를 반사시키는 측정 빔 분할기; 및
    상기 시야 빔을 반사시키고 상기 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 프로브 빔을 제공받아 소정으로 방향으로 편광된 프로브 빔을 출력하는 편광판을 더 포함하고,
    상기 빔 처리부는:
    상기 편광된 프로빔을 제공받아 투과시키고, 상기 측정 대상으로부터 진행하는 레이저 흡수 신호를 반사시키는 편광 빔 분할기;
    상기 편광 빔 분할기의 후단에 배치된 1/4 파장판; 및
    상기 시야 빔을 반사시키고 상기 편광된 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    보조 빔 분할기; 및
    카메라를 더 포함하고,
    상기 시야 빔은 상기 측정 대상에서 반사되어 반사 시야 빔을 생성하고,
    상기 반사 시야 빔은 상기 대물렌즈를 투과하여 상기 빔 처리부에서 반사되어 상기 보조 빔 분할기에 제공되고,
    상기 보조 빔 분할기는 상기 반사 시야 빔을 반사시키어 상기 카메라에 제공하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈와 상기 빔 처리부 사이에 배치되어 상기 프로브 빔을 주사하는 2D 빔 스케너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 처리부는 상기 시야 빔을 반사시키고 상기 프로빔을 투과시키어 상기 대물 렌즈에 제공하는 이색성 거울을 포함하고,
    상기 측정 대상을 투과한 상기 레이저 흡수 신호를 집속하는 보조 렌즈를 더 포함하고,
    상기 보조 렌즈는 상기 집속된 레이저 흡수 신호를 상기 주파수 및 강도 변조 분광 처리부에 제공하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치.
  13. 소정의 주파수 대역에서 변조 주파수(fm)로 프로브 빔의 광주파수를 변조하고 상기 변조 주파수(fm)로 상기 프로브 빔의 강도를 변조하는 단계;
    주파수 및 강도 변조된 프로브 빔을 대물 렌즈를 사용하여 측정 대상의 측정 위치에 제공하는 단계;
    가시광선 대역의 시야 빔을 상기 대물 렌즈를 사용하여 상기 측정 대상의 상기 측정 위치에 제공하는 단계; 및
    상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 프로브 빔을 제공받은 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하고, 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 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 단계;
    상기 측정 대상이 공명 흡수에 의하여 생성하는 레이저 흡수 신호를 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 레이저 흡수 신호로부터 상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 추출하는 단계; 및
    상기 변조 주파수(fm)의 제1 고조파 성분 및 제2 고주파 성분을 이용하여 상기 측정 대상의 흡수도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈에 입사하는 상기 프로브 빔을 2차원적으로 주사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 프로브 빔의 사이즈를 상기 대물 렌즈의 구경에 맞도록 상기 프로브 빔의 사이즈를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 측정 대상에서 반사된 시야 빔을 영상화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법.
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