WO2017086752A1 - 광파의 파형 측정 장치 및 방법 - Google Patents

광파의 파형 측정 장치 및 방법 Download PDF

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ionization
light wave
basic
signal pulse
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김경택
남창희
박승범
조우식
김경승
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기초과학연구원
광주과학기술원
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    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/02—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using optical means
    • G04F13/026—Measuring duration of ultra-short light pulses, e.g. in the pico-second range; particular detecting devices therefor

Definitions

  • the present invention relates to apparatus and methods for measuring light waves, and more particularly, to apparatus and methods for measuring waveforms of light waves in the time domain.
  • waveform measurement of light waves with a pulse shape is essential for many applications.
  • the amplitude and phase of the light wave must be measured in the time domain or frequency domain.
  • an input light wave is divided into two pulses using an optical interferometer, and the two pulses are combined again in a nonlinear material to generate a harmonic wave. Since the intensity of the harmonic wave increases when two pulses overlap in the time domain, the approximate pulse width of the input light wave can be known by measuring the intensity of the harmonic wave according to the time delay between the two pulses.
  • Examples of measuring the amplitude and phase of the spectrum in the frequency domain include frequency resolved optical gating (FROG) and spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction (SPIDER).
  • FROG frequency resolved optical gating
  • SPIDER spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction
  • the frequency photolysis method and the frequency interference electric field recovery method divide the input light wave into two pulses using an optical interferometer, etc., and divide the spectrum of harmonic waves generated by combining the two pulses again in a nonlinear material. Measure with time delay.
  • the pulse recovery algorithm can be used to measure the waveform of the input light wave.
  • a method for measuring the pulse width of a light wave by using ionization of a material that does not have a wavelength limitation problem of a nonlinear material has been proposed.
  • the conventional method for measuring light waves using multiphoton ionization light waves are divided into two pulses and then focused on an ionizing material, and the amount of ionization that changes according to time delay between two pulses is measured.
  • autocorrelation describes the amount of ionization generated by light waves as the amount of ionization by multiphoton ionization.
  • the approximate pulse width of the light wave can be measured, but the waveform of the light wave cannot be measured.
  • the harmonic wave is measured using a higher harmonic wave.
  • these methods have the disadvantage of requiring complicated harmonic generators and extreme ultraviolet measuring devices.
  • the conventional methods for measuring light waves have the following problems.
  • the autocorrelation method does not provide information on the phase of light waves, so it is not possible to measure the waveform of light waves.
  • the conventional method of measuring light waves by using multiphoton ionization of a material corresponds to the autocorrelation method, and thus the waveform of light waves cannot be measured.
  • An object of the present invention is to provide a light wave measuring apparatus and method capable of accurately measuring the waveform of light waves in the time domain.
  • an object of the present invention is to provide an optical wave measuring apparatus and method capable of measuring the waveform of the optical wave without the problem of limitation of the wavelength range generated when measuring the waveform using a nonlinear material.
  • An optical wave measuring apparatus includes a pulse separation unit for separating an input light wave into a basic pulse and a signal pulse, a time delay adjusting unit for adjusting a time delay between the basic pulse and the signal pulse, and a time delay adjustment.
  • a focusing unit for focusing the basic pulses and the signal pulses into an ionization material, and an ionization amount measuring unit for measuring an ionization amount from electrons and / or ions generated by the focused basic pulses and the signal pulses,
  • a waveform of the input light wave is obtained by obtaining an ionization change amount changed by a signal pulse according to the time delay.
  • optical wave measuring apparatus obtains the waveform of the input light wave from the waveform of the signal pulse calculated using the following [Equation 3].
  • Equation 3 ⁇ N ( ⁇ ) is an ionization change amount changed by a signal pulse according to a time delay ⁇ , N ( ⁇ ) is an ionization amount measured according to a time delay ⁇ , and N 0 is an ionization generated using only a basic pulse.
  • G (t ⁇ ) is the derivative of the ionization rate with respect to the electric field strength of the basic pulse F (t ⁇ ), and E S (t) is the waveform of the signal pulse.
  • the optical wave measuring apparatus is calculated using the following Equation 4 when the pulse width of the basic pulse reacting with the ionizing material is 2.5 times or less of the conversion limit pulse width ( ⁇ TL) of the basic pulse.
  • the waveform of the input light wave is obtained from the waveform of the obtained signal pulse.
  • the ionization material is made of gas.
  • the ionization material is made of a metal body having a pointed end.
  • the ionization material is composed of nanostructures disposed on a substrate.
  • the optical wave measuring apparatus includes one or more pulse intensity control unit for adjusting the intensity of the basic pulse and / or signal pulse according to a predetermined ratio.
  • the optical wave measuring apparatus includes one or more dispersion control unit for adjusting the dispersion of the fundamental pulse and / or signal pulse.
  • the pulse separation unit of the optical wave measuring apparatus is a beam splitter for separating the input light wave into the basic pulse and the signal pulse according to a predetermined ratio.
  • the time delay adjusting unit of the optical wave measuring apparatus includes at least one reflection mirror, and adjusts the position of the at least one reflection mirror to adjust the time delay between the basic pulse and the signal pulse. .
  • the optical wave measuring apparatus includes a pulse coupling unit for matching the path of the fundamental pulse and the signal pulse.
  • the pulse separation unit of the optical wave measuring apparatus includes a first region and a second region divided according to a predetermined ratio, the first region reflects a portion of the input light wave to the basic pulse And a second region reflects a portion of the input light wave to generate a signal pulse, and a time delay adjusting unit moves a position of the first region or the second region to between the basic pulse and the signal pulse. Adjust the time delay.
  • the optical wave measuring apparatus for separating the basic pulse into the first basic pulse and the second basic pulse, the second to focus the second basic pulse to the second ionizing material
  • a second ionization amount measuring unit for measuring an ionization amount from electrons and / or ions generated by a pulse focused by the second focusing unit
  • the focusing unit comprises the first basic pulse and the signal pulse. Is focused on an ionization material, and the ionization amount measuring unit measures an ionization amount from electrons and / or ions generated by the focused first basic pulse and the signal pulse, and in the ionization amount measuring unit, the first basic pulse.
  • a normalized ionization obtained from an ionization amount obtained using the signal pulse and an ionization amount obtained using only the second basic pulse in the second ionization amount measurement unit is obtained according to the time delay to obtain a waveform of the input light wave.
  • the optical wave measuring apparatus is a second focusing unit for focusing the basic pulse that is focused on the ionization material to generate electrons and / or ions to the focusing point where the second ionization material
  • the second A second ionization amount measuring unit for measuring an ionization amount from electrons and / or ions generated by a pulse focused by a second focusing unit, wherein the ionization amount obtained by using the basic pulse and the signal pulse in the ionization amount measuring unit And a normalized ionization change amount obtained from the ionization amount obtained using only the basic pulse in the second ionization amount measurement unit according to the time delay to obtain a waveform of the input light wave.
  • the optical wave analysis method the step of separating the input light wave into a basic pulse and a signal pulse, adjusting the time delay between the basic pulse and the signal pulse, the time delay is adjusted Focusing the basic pulse and the signal pulse with an ionizing material, measuring an ionization amount from electrons and / or ions generated by the focused basic pulse and the signal pulse, and the ionization change amount changed by the signal pulse Acquiring a waveform of an input light wave by acquiring according to the time delay.
  • the waveform of the input light wave is obtained from the waveform of the signal pulse calculated using Equation 3 above.
  • the pulse width of the fundamental pulse reacting with the ionizing material is 2.5 times or less of the conversion limit pulse width ( ⁇ TL) of the basic pulse
  • the waveform of the input light wave is obtained from the waveform of the calculated signal pulse.
  • the ionization material is made of gas.
  • the ionization material is made of a metal body having a pointed end.
  • the ionization material is composed of nanostructures disposed on a substrate.
  • the light wave analysis method includes the step of adjusting the intensity of the fundamental pulse and / or the signal pulse according to a predetermined ratio.
  • the optical wave analysis method includes the step of adjusting the dispersion of the fundamental pulse and / or the signal pulse.
  • the step of separating the input light wave into a basic pulse and a signal pulse splitting the input light wave into the basic pulse and the signal pulse according to a predetermined ratio Is performed by.
  • the step of adjusting the time delay between the basic pulse and the signal pulse is adjusted by the position of one or more reflection mirror to adjust the time between the basic pulse and the signal pulse. Adjust the delay.
  • the light wave analysis method includes the step of matching the path of the fundamental pulse and the signal pulse.
  • the step of separating the basic pulse into a first basic pulse and a second basic pulse, focusing the second basic pulse to the second ionizing material, and Measuring an ionization amount from electrons and / or ions generated by the focused second fundamental pulse, and focusing the time delay-adjusted basic pulse and the signal pulse with an ionizing material comprises: And converging the basic pulse and the signal pulse with an ionizing material, and measuring the ionization amount from the electrons and / or ions generated by the focused basic pulse and the signal pulse.
  • the step of obtaining the waveform of the input light wave by obtaining a normalized ionization change amount obtained from the ionization amount obtained using the first basic pulse and the signal pulse and the ionization amount obtained using only the second basic pulse according to the time delay. It includes a step.
  • the optical wave measuring device for separating the input light wave into a basic pulse and a signal pulse and focusing the basic pulse and the signal pulse with an ionizing material, the basic pulse and the signal pulse And a time delay adjusting unit for adjusting the time delay between and an ionization amount measuring unit for measuring an ionization amount from the electrons and / or ions generated by the focused basic pulse and the signal pulse, and being changed by the signal pulse.
  • the amount of ionization change is obtained according to the time delay to obtain a waveform of the input light wave.
  • the pulse separation unit includes a first region and a second region divided according to a predetermined ratio, the first region is reflected by a portion of the input light wave Generates a pulse, and the second region reflects a portion of the input light wave to generate a signal pulse, and a time delay adjusting unit moves the position of the first region or the second region to move between the basic pulse and the signal pulse. Adjust the time delay of
  • the optical wave measuring apparatus obtains a normalized ionization change amount obtained from the ionization amount obtained using only the basic pulse according to the time delay to obtain a waveform of the input light wave.
  • FIG. 1 is a block diagram of a light wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of an ionization amount measurement unit when a gas is used as an ionization material in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of an ionization amount measuring unit when a metal body having a pointed end is used as an ionizing material in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an ionization amount measuring unit when a metal nanostructure is used as an ionization material in one embodiment of the present invention.
  • 6 to 10 are graphs illustrating a process of acquiring a waveform of a signal pulse from an ionization change amount measured according to a time delay in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a front view of the pulse separation unit shown in FIG. 11.
  • FIG. 13 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a light wave measuring method according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a configuration diagram of an optical wave measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • 16 is a configuration diagram of an optical wave measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • 17 is a graph showing measured values of ultrashort laser pulses measured according to the prior art and the method of the present invention.
  • FIG. 18 is a graph showing amplitude and phase values of a spectrum calculated from the measured values shown in FIG. 17.
  • the 'ionization' phenomenon described in the description of the present invention can generally be described by dividing into multi-photon ionization or tunneling ionization by the Keldysh parameter value ⁇ .
  • the cadish parameter is Where ⁇ is the angular frequency of the light wave, E 0 is the maximum amplitude of the electric field of the light wave, and I p is the ionization potential of the material.
  • Kaldisch parameter value ⁇ is smaller than 6 ( ⁇ ⁇ 6) is regarded as a tunneling ionization region, and unless otherwise stated, 'ionization' refers to an ionization material (gas, liquid, solid, or nanostructure). ) Is a phenomenon in which electrons and / or ions are separated from an ionization material by a tunneling ionization phenomenon in response to light waves.
  • 'waveform' means a shape in which the electric field changes with time.
  • CEP Carrier Envelope Phase
  • 'ionization change amount' means an amount of change in ionization amount changed by a signal pulse.
  • FIG. 1 is a block diagram of a light wave measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • an optical wave measuring apparatus includes a pulse separating unit 102, a time delay adjusting unit 104, a focusing unit 108, and an ionization measuring unit 110. Acquire a waveform of light waves.
  • the pulse separating unit 102 receives the light wave to be measured, that is, the input light wave LW (t), and separates the input light wave LW (t) into two pulses according to a predetermined electric field intensity ratio.
  • a pulse having a relatively strong intensity is called a basic pulse (F (t)
  • a pulse having a relatively weak intensity is called a signal pulse (S (t)).
  • the predetermined electric field intensity ratio includes a minimum ratio and a maximum ratio. That is, the pulse separation unit 102 separates the input light wave LW (t) such that the electric field strength of the signal pulse S (t) is between the minimum and the maximum ratio of the electric field strength of the basic pulse F (t). do.
  • the ionization change amount changed by the signal pulse S (t) based on the electrons and / or ions generated by reacting the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t) with the ionizing material.
  • the electric field intensity of the signal pulse S (t) reacting with the ionizing material is caused by external environmental factors when measuring the ionization amount. It needs to be large enough so that it is not affected.
  • the minimum ratio means a ratio such that the electric field intensity of the signal pulse S (t) reacting with the ionizing material has a minimum size which is not affected by noise generated by external environmental factors when measuring the ionization amount. do.
  • the maximum ratio means a ratio that makes the electric field strength of the signal pulse S (t) small enough to allow the approximation as described above.
  • the pulse separation unit 102 has an electric field strength of the signal pulse S (t) of 0.1% to 20 times the electric field strength of the basic pulse F (t).
  • the input light wave LW (t) can be separated so that the intensity is%.
  • the electric field strength of the signal pulse S (t) passing through the pulse separation unit 102 becomes smaller than the electric field strength of the basic pulse F (t).
  • the time delay adjusting unit 104 adjusts the relative time delay between the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t). For example, as shown in FIG. 1, the time delay adjusting unit 104 outputs the time delayed basic pulse F (t ⁇ ) by delaying the basic pulse F (t) by the time delay ⁇ . In an embodiment of the present invention, the time delay adjusting unit 104 may output a time delayed basic pulse F (t ⁇ ) while changing the time delay ⁇ at a predetermined interval.
  • the time delay adjusting unit 104 may output the signal pulse S (t) by delaying the time delay ⁇ .
  • the basic pulse F (t) is output as it is without delay.
  • the present invention will be described based on the embodiment in which the time delay adjusting unit 104 delays and outputs the basic pulse F (t) by the time delay ⁇ .
  • the focusing unit 108 focuses the basic pulse F (t ⁇ ) and the signal pulse S (t) whose time delay is adjusted to the focusing point.
  • the ionization amount measuring unit 110 measures the ionization amount from the electrons and / or ions generated by the basic pulses F (t ⁇ ) and the signal pulses S (t) at the focusing point.
  • the ionization amount measuring unit 110 is a current of the current flowing to the electrode by the electrons and / or ions generated by the basic pulse (F (t- ⁇ )) and the signal pulse (S (t))
  • the magnitude may be measured and an ionization amount may be calculated based on the magnitude of the measured current.
  • a voltage having a predetermined magnitude may be applied to the electrode to collect electrons and / or ions.
  • the optical wave measuring apparatus of the present invention may obtain the waveform of the input light wave based on the amount of ionization change measured by the ionization amount measuring unit 110 according to a time delay.
  • FIG. 2 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • a light wave measuring process by the light wave measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • an input light wave LW (t) is incident to the pulse separator 202.
  • a mirror having holes in some areas is used as the pulse separator 202.
  • Some of the incident input light waves LW (t) pass through holes formed in the pulse separator 202, and the light waves passing through the holes are the signal pulses S (t).
  • some of the incident input light waves LW (t) are reflected by the pulse separating unit 202, and the reflected light waves are the basic pulses F (t).
  • the size of the hole drilled in the mirror may be set such that the intensity of the signal pulse S (t) passing through the mirror is between the minimum ratio and the maximum ratio of the intensity of the basic pulse F (t). That is, the intensity of the signal pulse S (t) is the ratio between the minimum ratio (eg 0.1%) and the maximum ratio (eg 20%) of the intensity of the basic pulse F (t) (eg 5%). Can be predetermined.
  • the fundamental pulse and the signal pulse were separated using a beam splitter in the form of a perforated mirror.
  • the beam splitter is an optical fiber that separates light waves in space, such as a glass substrate, a perforated mirror, or a plurality of mirrors coated with a multilayer thin film that reflects, transmits, or passes a part of light waves, and reflects, transmits, or passes a part of light waves.
  • the dispersion control units 203a and 203b may be formed of an optical device such as a pair of glass wedges to separate the basic pulses F (t) and / or separated from the pulse separation unit 202.
  • the dispersion of the signal pulse S (t) can be adjusted. Adjusting the dispersion values of the basic pulses F (t) and / or the signal pulses S (t) has the advantage of changing the respective pulse widths and pulse shapes. In addition, there is an advantage that can compensate for the dispersion difference on different optical paths.
  • the dispersion control units 203a and 203b are not necessarily necessary and may be omitted according to the embodiment.
  • the pulse intensity controller 208 may be provided. After the pulse separation unit 202 makes the intensity of the signal pulse more than necessary, and additionally configures the pulse intensity adjusting unit 208 using a device such as an aperture, the intensity of the signal pulse S (t) is converted into the basic pulse ( There is an advantage that it can be set continuously between the minimum ratio and the maximum ratio of the intensity of F (t)). In addition, although not shown in FIG. 2, a pulse intensity controller for adjusting the intensity of the basic pulse F (t) may be further added. However, the pulse intensity controller 208 is not necessary and may be omitted according to the embodiment.
  • the signal pulse S (t) applied from the pulse intensity adjusting unit 208 is configured to compensate for the optical path difference from the basic pulse F (t) by using the first mirror 206a, the second mirror 206b, and the first mirror 206b. It is reflected by the 3rd mirror 206c and the 4th mirror 206d.
  • the basic pulse F (t) applied from the dispersion controller 203a is incident to the time delay controller 204.
  • the basic pulse F (t) is reflected by the fifth mirror 204a and the sixth mirror 204 (b) provided in the time delay adjusting unit 204 and is incident to the pulse coupler 210.
  • the time delay adjusting unit 204 moves the positions of the fifth mirror 204a and the sixth mirror 204 (b) in the direction of the arrow so that the output time of the basic pulse F (t) is increased by the time delay ⁇ . Delay. Therefore, the basic pulse passing through the time delay control unit 204 is represented by F (t- ⁇ ).
  • a parallel moving stage is used as the time delay adjusting unit 204.
  • the parallel movement stage is movable in the direction of the arrow 22, and the time delay ⁇ of the basic pulse F (t) may be adjusted according to the movement distance and the direction of the parallel movement stage.
  • the signal pulse S (t) incident on the pulse combiner 210 passes through the hole formed in the pulse combiner 210 as it is.
  • the basic pulse F (t ⁇ ) incident on the pulse combiner 210 is reflected by the pulse combiner 210 to have a path coinciding with the signal pulse S (t).
  • a beam splitter having a hole formed in a portion of the same region as the pulse separator 102 is used as the pulse coupler 210.
  • other types of beam splitters may be used as the pulse combiner 210.
  • the basic pulse F (t ⁇ ) and the signal pulse S (t) applied from the pulse combiner 210 are incident to the focusing unit 212.
  • a focusing lens having a predetermined focal length is used as the focusing part 212.
  • a focusing mirror may be used as the focusing unit 212.
  • the focusing unit 212 focuses the basic pulse F (t ⁇ ) and the signal pulse S (t) to the focusing point 24.
  • the basic pulses F (t ⁇ ) and the signal pulses S (t) focused at the focusing point 24 react with the ionizing material present at the focusing point 24.
  • Ionizers present at the focusing point are materials that collide with light waves to generate electrons and / or ions, and may be gas, liquid, solid, or nanostructures.
  • FIG. 3 is a block diagram of an ionization amount measurement unit when a gas is used as an ionization material in one embodiment of the present invention.
  • the gas 64 is present as an ionization material at the focusing point 62 where the basic pulses F (t ⁇ ) and the signal pulses S (t) are focused.
  • the gas 64 may exist in the atmosphere in an open space.
  • the gas 64 may be formed in a confined space at the focusing point 62, and the closed space may be vacuumed, and then the gas having a predetermined pressure may be formed therein. 64) can be injected or sprayed.
  • the electrode 41 is disposed at a point adjacent to the focusing point 62.
  • the basic pulse F (t- ⁇ ) and the signal pulse S (t) are focused on the ionization material existing at the focusing point 62, the basic pulse F (t- ⁇ ) and the signal pulse S (t ) And electrons and / or ions are generated.
  • the electrons or ions generated in this way are collected through the electrode 41.
  • the electrode 41 is made of two conductive materials (eg metal).
  • a voltage of a predetermined magnitude is applied between the two electrodes 41 to collect the generated electrons and / or ions with the electrodes to generate an electrical signal. Accordingly, when the basic pulses F (t ⁇ ) and the signal pulses S (t) are focused on the ionization material, current due to electrons and / or ions flows between the electrodes 41.
  • the ionization amount calculation unit 43 is the amount of electrons and / or ions generated in the ionization material, that is, the ionization amount, based on the magnitude of the current generated by collecting electrons and / or ions generated from the ionization material to the electrode 41. To calculate. Since a constant relation is established between the amount of electrons and / or ions generated by the basic pulses F (t ⁇ ) and the signal pulses S (t) and the magnitude of the current flowing through the electrode 41, the ionization amount calculation unit Reference numeral 43 may calculate the ionization amount based on the magnitude of the measured current based on a preset relational expression.
  • an amplifier (not shown) may be connected between the electrode 41 and the ionization calculator 43 to amplify the magnitude of the current generated by the electrode in order to more accurately measure the current.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of an ionization amount measuring unit when a metal body having a pointed end is used as an ionizing material in one embodiment of the present invention.
  • a metal body 72 having a pointed end is used as the ionization material. Accordingly, the end of the metal body 72 is disposed at the focusing point 62.
  • the phenomenon of the strength of the electric field is increased at the end, which is more advantageous for electron and / or ion formation.
  • the metal body 72 When the metal body 72 is used as an ionization material as shown in FIG. 4, the metal body 72 may be used as part of the electrode 41.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an ionization amount measuring unit when a metal nanostructure is used as an ionization material in one embodiment of the present invention.
  • a substrate 82 having a metal nanostructure 84 is disposed at the focusing point 62.
  • the metal nanostructure 84 is used as in this embodiment, the phenomenon of the strength of the electric field in the nanostructure occurs, which is more advantageous for electron or ion formation.
  • the electrode 41 may be made in the form of a nano structure.
  • the optical wave measuring apparatus of the present invention measures the ionization amount measured by the ionization amount measuring unit 214 over time to obtain a waveform of the input light wave.
  • Equation 1 E F (t ⁇ ) represents the electric field strength of the basic pulse F (t ⁇ ), and E S (t) represents the electric field strength of the signal pulse S (t).
  • the signal pulse S (t) is controlled by the pulse separating unit 202 and the pulse adjusting unit 208 to have a strength that is weaker than that of the basic pulse F (t- ⁇ ). Have Therefore, [Formula 1] can be approximated as [Formula 2].
  • N 0 represents an ionization amount generated by only the basic pulse F (t ⁇ ) without the signal pulse S (t).
  • g (t) is a derivative of the ionization rate with respect to the electric field strength of the fundamental pulse F (t- ⁇ ). to be.
  • the ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ) is the derivative (g (t- ⁇ )) of the ionization rate with respect to the electric field strength of the basic pulse F (t- ⁇ ) and the signal pulse S ( It can be expressed as a cross-correlation function of the electric field strength (E S (t)) of t)).
  • the derivative value (g (t- ⁇ )) of the ionization rate of Equation 3 may be expressed as a function of the fundamental pulse F (t- ⁇ ) using a known ionization model. Since the basic pulse F (t- ⁇ ) and the signal pulse S (t) are separated from the same input light wave LW (t), the fundamental pulse F (t- ⁇ ) and the signal pulse S (t) are separated from the signal pulse S (t) using the dispersion relationship of the two pulses. The pulse F (t ⁇ ) can be seen. As a result, since the integration of [Equation 3] can be expressed as a function of the signal pulse S (t) alone, the waveform of the signal pulse S (t) can be found from the ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ).
  • the waveform of the signal pulse S (t) obtained by Equation 3 refers to the waveform of the signal pulse S (t) at the point where it reacts with the ionizing material.
  • the waveform of the signal pulse S (t) at the point of reaction with the ionizer, the waveform of the fundamental pulse F (t- ⁇ ) at the point of reaction with the ionizer, and the waveform of the input light wave LW (t). May have different shapes depending on the dispersion relationship given in each embodiment. Considering the dispersion relationship given in each embodiment, it will be apparent to those skilled in the art that the fundamental pulse F (t- ⁇ ) and the input light wave LW (t) can be obtained from the obtained signal pulse S (t). Do.
  • the optical wave measuring apparatus of the present invention uses the input light wave LW (t) from the waveform of the signal pulse S (t) obtained from the ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ) changed by the signal pulse S (t).
  • the waveform of can be obtained.
  • the waveform of the fundamental pulse F (t- ⁇ ) reacting with the ionizer can be obtained from the waveform of the signal pulse S (t) reacting with the ionizer calculated through Equation 3.
  • the pulse width of the basic pulse F (t- ⁇ ) reacting with the ionizing material can be obtained from the waveform of the basic pulse F (t- ⁇ ).
  • the optical wave measuring apparatus of the present invention According to Equation 4, the waveform of the signal pulse S (t) can be calculated.
  • the conversion limit pulse width ⁇ TL is the shortest pulse width that can be obtained from the spectrum of a given light wave.
  • whether or not [Equation 4] is used is set to the case where the pulse width of the basic pulse is 2.5 times or less than the conversion limit pulse width ⁇ TL of the basic pulse.
  • a criterion for determining whether to use Equation 4 may be set differently.
  • the pulse width of the basic pulse is converted from the pulse width of the basic pulse by adjusting the dispersion of the basic pulse ( ⁇ TL). After making 2.5 times less than, Equation 4 can be applied.
  • the optical wave measuring device of the present invention obtains the waveform of the input light wave by using the dispersion relationship between the signal pulse S (t) and the input light wave LW (t).
  • the carrier envelope phase (CEP) of the measured signal pulse S (t) should be interpreted as a relative phase with respect to the absolute phase of the basic pulse F (t). Therefore, the absolute phase of the measured signal pulse S (t) may be different from the actual value when the absolute phase of the basic pulse F (t) is not set to zero.
  • 6 to 10 are graphs illustrating a process of obtaining a waveform of an input light wave from an ionization change amount measured according to a time delay in an embodiment of the present invention.
  • the ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ) is the electric field of the ionization rate w (t) and the signal pulse S (t) with respect to the electric field strength of the basic pulse F (t). It can be expressed as a cross-correlation function of the intensity E S (t). 6 to 10 show a process of acquiring the waveform of the signal pulse according to the time delay of the fundamental pulse and the signal pulse according to the cross-correlation function.
  • FIG. 11 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the input light wave LW (t) is incident on the pulse separation unit 304 and separated into a basic pulse F (t) and a signal pulse S (t).
  • 12 is a front view of the pulse separation unit 304 shown in FIG. 11. 11 and 12, the pulse separation unit 304 has a first region 304a and a second region 304b. Since an empty space is formed between the first region 304a and the second region 304b, the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t) may be separated.
  • the second region 304b has a smaller surface area than the first region 304a. This is because the surface areas of the first region 304a and the second region 304b determine the intensities of the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t), respectively.
  • the surface area of the second region 304b is such that the intensity of the signal pulse S (t) generated in the second region 304b is between the minimum ratio and the maximum ratio of the intensity of the basic pulse F (t). It may be set to.
  • the first region 304a and the second region 304b may have shapes other than circular as shown in FIG. 12. Also, the position of the second region 304b may vary depending on the embodiment.
  • the second region 304b is connected to the time delay adjusting unit 302.
  • the time delay adjusting unit 302 delays the signal pulse S (t) by the time delay ⁇ by moving the second region 304b in the direction of the arrow 32.
  • the time delay ⁇ may be determined according to the moving direction and the moving length of the second region 304b.
  • the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ) generated by the pulse separation unit 304 are incident to the focusing unit 306.
  • the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ) focused by the focusing unit 306 to the focusing point 34 react with the ionizing material present at the focusing point 34 to form electrons and And / or generate ions.
  • the ionization amount measuring unit 308 measures the ionization amount from the electrons and / or ions generated by the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ) at the focusing point 34.
  • the optical wave measuring device of the present invention obtains the waveform of the input light wave LW (t) from the ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ) obtained by the ionization amount measuring unit 308.
  • FIG. 13 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus according to still another embodiment of the present invention.
  • the input light wave LW (t) is incident on the pulse separating unit 504 and separated into a basic pulse F (t) and a signal pulse S (t).
  • a focusing lens having a hole drilled in a partial region and a focusing lens included therein are used as the pulse separation unit 504.
  • the pulse separator 504 reflects the input light wave LW (t) to generate a basic pulse F (t) and a signal pulse S (t).
  • the pulse separator 504 shown in FIG. 13 includes a first region 504a and a second region 504b. Such a cross section of the pulse separator 504 may be formed as shown in FIG. 12. Also, as described above, the second region 504b has a smaller surface area than the first region 504a. This is because the surface areas of the first region 504a and the second region 504b determine the intensity of the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t), respectively. In the present invention, the surface area of the second region 504b is such that the intensity of the signal pulse S (t) generated in the second region 504b is between the minimum ratio and the maximum ratio of the intensity of the basic pulse F (t). It may be set to.
  • the second region 504b is connected to the time delay adjusting unit 502.
  • the time delay adjusting unit 502 delays the signal pulse S (t) by the time delay ⁇ by moving the second region 504b in the direction of the arrow 52.
  • the time delay ⁇ may be determined according to the moving direction and the moving length of the second region 504b.
  • the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ) generated by the pulse separator 504 are focused by the pulse separator 504. Incident. That is, in the embodiment of FIG. 13, since the pulse separating unit 504 has a function of focusing the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ), the focusing unit 306 as shown in FIG. 11. There is no need to be provided separately.
  • the ionization amount measuring unit 506 measures the ionization amount from the electrons and / or ions generated by the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ) at the focusing point 54.
  • the optical wave measuring device of the present invention obtains the waveform of the input light wave LW (t) from the ionization change amount obtained by the ionization amount measuring unit 506 according to the time delay.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a light wave measuring method according to an embodiment of the present invention.
  • the optical wave measuring apparatus of the present invention first separates an input optical wave into a basic pulse and a signal pulse (902). At this time, the signal pulse intensity is between the minimum ratio and the maximum ratio of the intensity of the basic pulse.
  • the optical wave measuring device adjusts the time delay between the fundamental pulse and the signal pulse (904). Then, the light wave measuring apparatus focuses the time delay-adjusted basic pulses and the signal pulses into the ionizing material (906). Next, the light wave measuring apparatus measures the ionization amount from the electrons and / or ions generated by the focused basic pulses and the signal pulses (908). Then, the optical wave measuring device acquires the waveform of the input optical wave by obtaining the ionization change amount changed by the signal pulse according to the time delay (910).
  • the intensity of the basic pulse may change over time due to the influence of the surrounding environment.
  • the ionization amount N0 value ionized only with the basic pulse changes over time to become N 0 ( ⁇ ). Therefore, there is a problem that it is difficult to measure the ionization change amount? N (?) Due to the signal pulse S (t).
  • 15 is a configuration diagram of an optical wave measuring apparatus to which a differential measuring method according to another embodiment of the present invention is applied.
  • an input light wave LW (t) is incident to the pulse separating unit 602 and separated into a basic pulse and a signal pulse.
  • the dispersion of the basic pulse and / or the signal pulse may be adjusted by the dispersion adjusting units 603a and 603b.
  • the pulse intensity controller 608 adjusts the intensity of the signal pulse.
  • the signal pulse is reflected by the first mirror 606a, the second mirror 606b, the third mirror 606c, and the fourth mirror 606d.
  • the basic pulse is time delay adjusted by the time delay control unit 604.
  • the pulse separating unit 602, the dispersion adjusting units 603a and 603b, the pulse intensity adjusting unit 608, the first mirror 606a, the second mirror 606b, the third mirror 606c, and the fourth The function of the mirror 606d and the time delay adjusting unit 604 is the same as that of the embodiment of FIG. 2.
  • the basic pulse applied from the time delay adjusting unit 604 is the first basic pulse F 1 (t- ⁇ ) and the second basic pulse F 2 (t- ⁇ ) by the first pulse separating unit 609. To be separated. In this case, it is preferable that the first basic pulse F 1 (t ⁇ ) and the second basic pulse F 2 (t ⁇ ) are separated in the same shape and intensity. If necessary, a dispersion controller (not shown) may be additionally provided to compensate for the difference between the dispersion of the basic pulse and the signal pulse generated by the first pulse separator 609.
  • the paths of the signal pulse S (t) reflected from the separated first basic pulse F 1 (t ⁇ ) and the fourth mirror 606d are transmitted by the pulse combiner 610 to the first basic pulse F 1. (t- ⁇ )).
  • the matched first basic pulse F 1 (t ⁇ ) and the signal pulse S (t) are focused by the first focusing part 612a to the focusing point 64a where the first ionization material is located.
  • the first ionization amount measuring unit 614a is generated from electrons and / or ions generated from the first ionization material by the focused first basic pulses F 1 (t- ⁇ ) and the signal pulses S (t). Based on the magnitude of the current, the ionization amount (N 0 ( ⁇ ) + ⁇ N ( ⁇ )) over time is measured.
  • the separated second basic pulse F 2 (t ⁇ ) is focused by the second focusing part 612b to the focusing point 64b in which the second ionization material is located.
  • the second ionization amount measuring unit 614b delays the time based on the magnitude of the current generated from the electrons and / or ions generated from the second ionization material by the focused second basic pulse F 2 (t ⁇ ). According to the ionization amount (N 0 ( ⁇ )) is measured.
  • the waveform of the signal pulse is obtained by substituting the normalized ionization change amount ⁇ N ( ⁇ ) / N 0 ( ⁇ ) on the left side of Equation 3 or Equation 4 instead of ⁇ N ( ⁇ ).
  • the light wave measuring device of the present invention the ionizing volume measurement in the first ionized amount measured in the ionization volume measurement unit (614a) (N 0 ( ⁇ ) + ⁇ N ( ⁇ )) and second ionization volume measurement unit (614b) calculating an (N 0 ( ⁇ )) the normalized amount of change ionization ( ⁇ N ( ⁇ ) / N 0 ( ⁇ )) by using obtains the waveform of the pulse signal.
  • 16 is a block diagram of an optical wave measuring apparatus to which a differential measuring method according to another embodiment of the present invention is applied.
  • the input light wave LW (t) is incident on the pulse separator 704 to be separated into a basic pulse F (t) and a signal pulse S (t).
  • the time delay adjusting unit 702 adjusts the time delay of the signal pulse (S (t)).
  • the time delayed signal pulses S (t + ⁇ ) and the basic pulses F (t) are focused by the pulse separator 704 at the focusing point 74a where the first ionization material is located.
  • the first ionization amount measuring unit 706a is ionized according to time delay from electrons and / or ions generated in the first ionization material by the basic pulse F (t) and the signal pulse S (t + ⁇ ). Measure (N 0 ( ⁇ ) + ⁇ N ( ⁇ )).
  • the basic pulse and the signal pulse passing through the point where the first ionizing material is present become large again.
  • only the basic pulse is selectively focused on the focusing point 74b where the second ionization material is located by the second focusing part 705.
  • the second ionization amount measuring unit 706b measures the ionization amount N 0 ( ⁇ ) with time delay from the electrons and / or ions generated only by the focused basic pulse.
  • the optical wave measuring device of the present invention is the ionization amount (N 0 ( ⁇ ) + ⁇ N ( ⁇ )) measured by the first ionization amount measuring unit 706a and the ionization amount measured by the second ionization amount measuring unit 706b calculating an (N 0 ( ⁇ )) the normalized amount of change ionization ( ⁇ N ( ⁇ ) / N 0 ( ⁇ )) by using obtains the waveform of the pulse signal.
  • FIG. 17 is a graph showing waveforms of ultrashort laser pulses measured using a conventional technique (Petahertz Optical Oscilloscope method) and waveforms of ultrashort laser pulses measured according to the method of the present invention
  • FIG. 18 is shown in FIG. A graph showing the amplitude and phase values of the spectrum calculated from the measured values.
  • FIGS. 17 and 18 show that an ultra-short laser pulse having a center wavelength of 730 nanometers (nm) and a pulse width of 5 femtoseconds (fs) is used as an input light wave and a xenon gas of 5 mbar pressure is used. It is obtained by using as an ionization material.
  • the intensity of the basic pulse is 1 ⁇ 1013 W / cm 2
  • the electric field strength of the signal pulse is 3% of the electric field strength of the basic pulse.
  • FIG. 17 shows the waveform 1002 of the ultrashort laser pulse measured by the light wave measuring method according to the present invention and the waveform 1004 of the ultrashort laser pulse measured according to the prior art, respectively, and FIG. 18.
  • Also shown in FIG. 18 is an amplitude 1206 of the spectrum as measured by a grating spectrometer for comparison.

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Abstract

본 발명은 광파의 파형을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 장치는 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 펄스 분리부, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 시간지연 조절부, 시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 집속부, 및 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부를 구비하고, 상기 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.

Description

광파의 파형 측정 장치 및 방법
본 발명은 광파를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시간 영역(time domain)에서 광파의 파형을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 펄스 형태를 가지는 광파의 파형 측정은 여러 응용분야에서 필수적인 요소이다. 광파의 전기장이 시간에 따라 변화하는 모양인 파형을 측정하기 위해서는 광파의 진폭 및 위상을 시간 영역(time domain) 또는 주파수 영역(frequency domain)에서 측정해야 한다.
종래 기술에 따르면 광파를 측정하기 위하여 다양한 방법들이 사용된다. 광파를 측정하기 위하여 가장 널리 사용되는 방법 중 하나는 비선형 물질에서 생성되는 조화파를 이용하는 것이다. 그 중에서도 자기상관(autocorrelation) 관계를 이용하는 방식이 널리 사용된다.
자기상관 방식에서는 입력 광파를 광학 간섭계 등을 이용하여 두 개의 펄스로 나누고 두 개의 펄스를 비선형 물질 안에서 다시 결합시켜 조화파를 생성한다. 두 펄스가 시간 영역에서 겹쳐질 때 조화파의 세기가 증가하기 때문에, 두 펄스 간의 시간지연에 따른 조화파의 세기를 측정함으로써 입력 광파의 대략적인 펄스폭을 알 수 있다.
그러나 자기상관 관계를 이용하는 방식에 의하면 광파의 펄스폭에 대한 대략적인 정보만을 얻을 수 있을 뿐, 광파의 위상에 대한 정보가 없다. 따라서, 광파의 파형을 측정할 수는 없다.
주파수 영역에서 스펙트럼의 진폭과 위상을 측정하는 방법으로는 주파수 광분해(Frequency Resolved Optical Gating, FROG) 방식과 주파수 간섭 전기장 복원(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction, SPIDER) 방식을 예로 들 수 있다.
주파수 광분해 방식과 주파수 간섭 전기장 복원 방식에서는 자기상관 방식과 유사하게 입력 광파를 광학 간섭계 등을 이용하여 두 개의 펄스로 나누고, 두 펄스를 비선형 물질에서 다시 결합시켜 생성되는 조화파의 스펙트럼을 두 펄스 간의 시간지연에 따라 측정한다. 이와 같은 방식을 사용할 경우 펄스 복원 알고리즘을 사용하여 입력 광파의 파형의 측정이 가능하다.
그런데 앞서 기술한 방법들은 비선형 물질에서 생성되는 조화파를 기초로 하여 광파를 측정하므로, 비선형 물질의 위상 정합 조건이 맞는 특정한 파장에서만 적용될 수 있다는 문제가 있다.
비선형 물질의 파장 제한 문제를 가지지 않는 물질의 이온화를 이용해 광파의 펄스폭을 측정하는 방법이 제시되었다. 종래의 다광자 이온화를 이용한 광파 측정 방법은 광파를 두 펄스로 나눈 후 이온화물질에 집속하여, 두 펄스 사이의 시간지연에 따라 변화하는 이온화량을 측정한다. 이 방법들에서는 광파에 의해 생성되는 이온화량을 다광자 이온화에 의한 이온화량으로 기술하는 자기상관(autocorrelation) 방식에 해당하며, 광파의 위상에 대한 정보가 없다. 따라서, 광파의 대략적인 펄스폭을 측정할 수 있으나, 광파의 파형을 측정할 수 없었다.
아토초 스트릭 카메라(Attosecond streak camera)방법 또는 페타헬츠 옵티컬 오실로스코프(Petahertz optical oscilloscope)방법에서는 고차조화파를 이용해 광파의 파형을 측정한다. 그러나 이 방법들은 복잡한 고차조화파 발생장치 및 극자외선 측정장치를 필요로 한다는 단점이 있다.
결국 종래 기술에 따른 광파 측정 방법들은 다음과 같은 문제점들을 갖는다.
- 자기 상관 방식에서는 광파의 위상에 대한 정보가 제공되지 않으므로 광파의 파형을 측정 할 수 없다.
- 비선형 물질을 사용한 광파 측정 방법들(자기상관 방식, 주파수 광분해 방식, 주파수 간섭 전기장 복원 방식 등)은 제한적인 파장 범위에서만 적용이 가능하다.
- 종래의 물질의 다광자 이온화를 이용하여 광파를 측정하는 방식은 자기상관 방식에 해당하므로 광파의 파형을 측정 할 수 없다.
- 고차조화파를 이용한 방법은 복잡한 고차조화파 발생장치 및 극자외선 측정장치를 필요로 한다.
따라서 전술한 단점들을 극복하고 간단한 구성을 갖는 장비를 이용하여 시간 영역에서 광파의 파형을 측정하기 위한 기술이 필요하다.
본 발명은 시간 영역에서 광파의 파형을 정확하게 측정할 수 있는 광파 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 비선형 물질을 이용해 파형을 측정할 때 발생하는 파장 범위의 제한 문제 없이 광파의 파형을 측정할 수 있는 광파 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 복잡한 고차조화파 발생장치 및 극자외선 측정장치 없이 광파의 파형을 측정할 수 있는 광파 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 장치는 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 펄스 분리부, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 시간지연 조절부, 시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 집속부, 및 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부를 구비하고, 상기 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 하기 [수식 3]을 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
[수식 3]
Figure PCTKR2016013373-appb-I000001
상기 [수식 3]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, N(τ)는 시간지연 τ에 따라 측정된 이온화량이고, N0는 기본펄스 만으로 생성된 이온화량이고, g(t-τ)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값이고, ES(t)는 신호펄스의 파형이다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 이온화물질과 반응하는 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우, 하기 [수식 4]를 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 입력 광파의 파형을 획득한다.
[수식 4]
Figure PCTKR2016013373-appb-I000002
본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 기체로 이루어진다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체로 이루어진다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 기판 상에 배치되는 나노 구조물로 이루어진다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 미리 정해진 비율에 따라서 기본펄스 및/또는 신호펄스의 세기를 조절하는 하나 이상의 펄스 세기 조절부를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 기본펄스 및/또는 신호펄스의 분산을 조절하는 하나 이상의 분산 조절부를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 펄스 분리부는 상기 입력 광파를 미리 정해진 비율에 따라 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스로 분리하는 빔 스플리터이다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 상기 시간지연 조절부는 하나 이상의 반사 미러를 포함하고, 하나 이상의 반사 미러의 위치를 조절하여 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 기본펄스 및 신호펄스의 경로를 일치시키는 펄스 결합부를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 펄스 분리부는 미리 정해진 비율에 따라 나누어진 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 기본펄스를 생성하고, 상기 제2 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 신호펄스를 생성하고, 시간지연 조절부는 상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역의 위치를 이동시켜 상기 기본펄스와 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 기본펄스를 제1 기본펄스 및 제2 기본펄스로 분리하는 제2 펄스 분리부, 상기 제2 기본펄스를 제2 이온화물질로 집속시키는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부에 의해 집속된 펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 포함하고, 상기 집속부는 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속하고, 상기 이온화량 측정부는 집속된 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하고, 상기 이온화량 측정부에서 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 제2 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는 이온화 물질에 집속되어 전자 및/또는 이온을 생성한 상기 기본펄스를 제2 이온화물질이 있는 집속 지점으로 집속하는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부에 의해 집속된 펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 포함하고, 상기 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 단계, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 단계, 시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계, 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계, 및 상기 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 입력 광파의 파형을 획득하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 [수식 3]을 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 입력 광파의 파형을 획득한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 이온화물질과 반응하는 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우, 상기 [수식 4]를 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 기체로 이루어진다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체로 이루어진다.
또한 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질은 기판 상에 배치되는 나노 구조물로 이루어진다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 미리 정해진 비율에 따라서 상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 세기를 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 분산을 조절하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 단계가 상기 입력 광파를 미리 정해진 비율에 따라 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스로 분리하는 빔 스플리터에 의해 수행된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 단계가 하나 이상의 반사 미러의 위치를 조절하여 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스의 경로를 일치시키는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 분석 방법은, 상기 기본펄스를 제1 기본펄스 및 제2 기본펄스로 분리하는 단계, 상기 제2 기본펄스를 상기 제2 이온화물질로 집속시키는 단계, 및 집속된 상기 제2 기본펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계는 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계를 포함하고, 상기 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계는 집속된 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 입력 광파의 파형을 획득하는 단계는 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는, 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하고 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 펄스 분리부, 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 시간지연 조절부, 및 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부를 구비하고, 상기 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는, 펄스 분리부가 미리 정해진 비율에 따라 나누어진 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 기본펄스를 생성하고, 상기 제2 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 신호펄스를 생성하고, 시간지연 조절부는 상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역의 위치를 이동시켜 상기 기본펄스와 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치는, 이온화물질에 집속되어 전자 및/또는 이온을 생성한 기본펄스를 제2 이온화물질이 있는 집속 지점으로 집속하는 제2 집속부, 및 상기 제2 집속부에 의해 집속된 펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 포함하고, 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득한다.
본 발명에 따르면 시간 영역에서 광파의 파형을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 비선형 물질을 이용해 파형을 측정할 때 발생하는 파장 범위의 제한 문제 없이 광파의 파형을 측정 할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 복잡한 고차조화파 발생장치 및 극자외선 측정장치 없이 광파의 파형을 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 기체가 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체가 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 금속 나노 구조물이 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 시간지연에 따라 측정된 이온화변화량으로부터 신호펄스의 파형을 획득하는 과정을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 12는 도 11에 도시된 펄스 분리부의 정면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 방법의 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 17은 종래 기술 및 본 발명의 방법에 따라 측정된 극초단 레이저 펄스의 측정값을 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 17에 도시된 측정값으로부터 계산된 스펙트럼의 진폭 및 위상값을 나타내는 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 발명의 설명에 있어서 기술되는 '이온화'현상은 일반적으로 캘디쉬 파라미터(Keldysh parameter)값 γ에 의해 다광자 이온화(Multi-photon ionization) 또는 터널링 이온화(Tunneling ionization) 로 나누어 기술할 수 있다. 캘디쉬 파라미터는
Figure PCTKR2016013373-appb-I000003
로 정의되며, 여기서 ω 는 광파의 각주파수, E0는 광파의 전기장의 최대진폭, Ip는 물질의 이온화 포텐셜이다.
본 발명의 설명에 있어서 캘디쉬 파라미터값 γ가 6보다 작은 경우(γ < 6)를 터널링 이온화 영역으로 간주하며, 별다른 설명이 없는 한 '이온화'는 이온화물질(기체, 액체, 고체, 또는 나노 구조물)이 광파와 반응하여 터널링 이온화 현상에 의해 이온화물질로부터 전자 및/또는 이온이 분리되는 현상을 의미한다.
또한, 본 발명을 기술함에 있어서 '파형'은 전기장이 시간에 따라 변화하는 모양을 의미한다. 다만, 측정된 신호펄스의 절대위상(Carrier Envelope Phase, CEP) 값은 실제값과 다를 수 있다.
또한, 본 발명을 기술함에 있어서 '이온화변화량'은 신호펄스에 의해 변화된 이온화량의 변화량을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 장치는 펄스 분리부(102), 시간지연 조절부(104), 집속부(108), 이온화량 측정부(110)를 구비하여 입력 광파의 파형을 획득한다.
펄스 분리부(102)는 측정하고자 하는 광파, 즉 입력 광파(LW(t))를 입력받고, 입력 광파(LW(t))를 미리 정해진 전기장 세기 비율에 따라 두 개의 펄스로 분리한다. 여기서, 상대적으로 강한 세기를 가지는 펄스를 기본펄스(F(t))라 하고, 상대적으로 약한 세기를 가지는 펄스를 신호펄스(S(t))라 한다. 또한, 미리 정해진 전기장 세기 비율은 최소 비율 및 최대 비율을 포함한다. 즉 펄스 분리부(102)는 신호펄스(S(t))의 전기장 세기가 기본펄스(F(t))의 전기장 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이가 되도록 입력 광파(LW(t))를 분리한다.
본 발명에서는 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))를 이온화물질과 반응시켜 생성되는 전자 및/또는 이온에 기초하여 신호펄스(S(t))에 의해 변화된 이온화변화량을 측정한다. 이 때 신호펄스(S(t))에 의해 변화된 이온화변화량이 정확히 측정되기 위해서는 이온화물질과 반응하는 신호펄스(S(t))의 전기장의 세기가 이온화량 측정 시 외부 환경 요인에 의해 발생하는 노이즈에 영향을 받지 않도록 충분히 클 필요가 있다. 본 발명에서 최소 비율은 이온화물질과 반응하는 신호펄스(S(t))의 전기장의 세기가 이온화량 측정 시 외부 환경 요인에 의해 발생하는 노이즈에 영향을 받지 않는 최소의 크기를 갖게 하는 비율을 의미한다.
한편, 후술하는 이온화량을 측정하기 위한 수식을 유도하는 과정에서는 기본펄스(F(t))의 전기장 세기 및 신호펄스(S(t))의 전기장 세기가 모두 고려되는데, 이 때 신호펄스(S(t))의 전기장 세기가 기본펄스(F(t))의 전기장 세기보다 충분히 작다면 기본펄스(F(t))에 의해 생성되는 이온화량을 근사화할 수 있다. (즉, [수식 1]에서 [수식 2]로의 근사화) 본 발명에서 최대 비율은 전술한 바와 같은 근사화가 가능할 만큼 신호펄스(S(t))의 전기장 세기를 충분히 작게 만드는 비율을 의미한다.
예컨대 최소 비율이 0.1%이고 최대 비율이 20%인 경우, 펄스 분리부(102)는 신호펄스(S(t))의 전기장 세기가 기본펄스(F(t))의 전기장 세기의 0.1% 내지 20%의 세기가 되도록 입력 광파(LW(t))를 분리 할 수 있다.
이에 따라 펄스 분리부(102)를 거친 신호펄스(S(t))의 전기장 세기는 기본펄스(F(t))의 전기장 세기보다 작아지게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 시간지연 조절부(104)는 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t)) 사이의 상대적인 시간지연을 조절한다. 예컨대 시간지연 조절부(104)는 도 1에 도시된 바와 같이 시간지연(τ)만큼 기본펄스(F(t))를 지연시켜 시간지연된 기본펄스(F(t-τ))를 출력한다. 본 발명의 일 실시예에서 시간지연 조절부(104)는 시간지연(τ)을 일정한 간격으로 변화시키면서 시간지연된 기본펄스(F(t-τ))를 출력할 수 있다.
한편, 도 1에는 시간지연 조절부(104)가 기본펄스(F(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시켜 출력하는 실시예가 도시되어 있다. 그러나 본 발명의 다른 실시예에서 시간지연 조절부(104)는 신호펄스(S(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시켜 출력할 수도 있다. 이 경우 기본펄스(F(t))는 지연되지 않고 그대로 출력된다. 이하에서는 시간지연 조절부(104)가 기본펄스(F(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시켜 출력하는 실시예를 기초로 본 발명에 대하여 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 집속부(108)는 시간지연이 조절된 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))를 집속 지점으로 집속시킨다.
다시 도 1을 참조하면, 이온화량 측정부(110)는 집속 지점에서 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정한다. 본 발명의 일 실시예에서 이온화량 측정부(110)는 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온에 의해 전극에 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 측정된 전류의 크기를 기초로 이온화량을 산출할 수 있다. 이 때 전극에는 전자 및/또는 이온의 수집을 위해 미리 정해진 크기의 전압이 인가될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 광파 측정 장치는 이온화량 측정부(110)에 의해 시간지연에 따라 측정된 이온화변화량을 기초로 입력 광파의 파형을 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다. 이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 광파 측정 장치에 의한 광파 측정 과정에 대하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 입력 광파(LW(t))가 펄스 분리부(202)로 입사된다. 도 2의 실시예에서는 일부 영역에 구멍이 뚫린 미러가 펄스 분리부(202)로 사용된다. 입사된 입력 광파(LW(t)) 중 일부 광파는 펄스 분리부(202)에 형성된 구멍을 통과하는데, 이와 같이 구멍을 통과하는 광파가 신호펄스(S(t))이다. 또한 입사된 입력 광파(LW(t)) 중 일부 광파는 펄스 분리부(202)에 의해 반사되는데, 이와 같이 반사되는 광파가 기본펄스(F(t))이다.
도 2에서 미러에 뚫린 구멍의 크기는 구멍을 통과한 신호펄스(S(t))의 세기가 기본펄스(F(t))의 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이가 되도록 설정될 수 있다. 즉, 신호펄스(S(t))의 세기는 기본펄스(F(t))의 세기의 최소 비율(예컨대, 0.1%) 및 최대 비율(예컨대, 20%) 사이의 비율(예컨대, 5%)이 되도록 미리 결정될 수 있다.
도 2에서는 구멍 뚫린 미러 형태의 빔 스플리터를 사용하여 기본펄스와 신호펄스를 분리하였다. 실시예에 따라서는 광파를 공간상에서 분리하기 위해 다른 형태의 빔 스플리터를 사용할 수 있다. 본 발명에서 빔 스플리터는 광파의 일부를 반사, 투과 또는 통과 시키고, 또 다른 일부를 반사, 투과 또는 통과 시키는 다층박막이 코팅된 유리 기판, 구멍 뚫린 미러 또는 복수개의 미러 등 광파를 공간상에서 분리하는 광학기기를 통칭한다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따라서는 유리 쐐기쌍과 같은 광학기기로 분산 조절부(203a 및 203b)를 구성하여 펄스 분리부(202)로부터 분리된 기본펄스(F(t)) 및/또는 신호펄스(S(t))의 분산을 조절할 수 있다. 기본펄스(F(t)) 및/또는 신호펄스(S(t))의 분산값을 조절하면 각각의 펄스폭 및 펄스 모양을 바꿀 수 있는 장점이 있다. 또한, 서로 다른 광경로상의 분산차이를 보상할 수 있는 장점도 있다. 그러나, 분산 조절부(203a 및 203b)가 반드시 필요한 것은 아니며 실시예에 따라서 생략 될 수 있다.
또한, 실시예에 따라서는 펄스 세기 조절부(208)가 구비될 수 있다. 펄스 분리부(202)에서 신호펄스의 세기를 필요 이상으로 만든 후, 추가적으로 조리개 등의 장치를 이용해 펄스 세기 조절부(208)를 구성하면, 신호펄스(S(t))의 세기를 기본펄스(F(t))의 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이에서 연속적으로 설정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 도 2에는 표시되어 있지 않으나, 기본펄스(F(t))의 세기를 조절하는 펄스 세기 조절부가 더 추가될 수 있다. 그러나, 펄스 세기 조절부(208)는 반드시 필요한 것은 아니며 실시예에 따라서 생략될 수 있다.
펄스 세기 조절부(208)로부터 인가된 신호펄스(S(t))는 기본펄스(F(t))와의 광경로차를 보상하기 위해 제1 미러(206a), 제2 미러(206b), 제3 미러(206c), 제 4미러(206d)에 의해 반사된다.
한편, 분산 조절부(203a)로부터 인가된 기본펄스(F(t))는 시간지연 조절부(204)로 입사된다. 기본펄스(F(t))는 시간지연 조절부(204) 내에 구비되는 제5 미러(204a) 및 제6 미러(204(b))에 의해 반사되어 펄스 결합부(210)로 입사된다. 시간지연 조절부(204)는 제5 미러(204a) 및 제6 미러(204(b))의 위치를 화살표 방향으로 이동시켜 기본펄스(F(t))의 출력 시간을 시간지연(τ)만큼 지연시킨다. 따라서 시간지연 조절부(204)를 통과한 기본펄스는 F(t-τ)로 표현된다.
도 2의 실시예에서는 시간지연 조절부(204)로서 평행 이동 스테이지가 사용된다. 평행 이동 스테이지는 화살표(22) 방향으로 이동 가능하며, 평행 이동 스테이지의 이동 거리 및 방향에 따라서 기본펄스(F(t))의 시간지연(τ)이 조절될 수 있다.
펄스 결합부(210)로 입사된 신호펄스(S(t))는 펄스 결합부(210)에 형성된 구멍을 그대로 통과한다. 또한 펄스 결합부(210)로 입사된 기본펄스(F(t-τ))는 펄스 결합부(210)에 의해 반사되어 신호펄스(S(t))와 일치하는 경로를 갖게 된다.
도 2의 실시예에서는 펄스 결합부(210)로서 펄스 분리부(102)와 동일하게 일부 영역에 구멍이 형성된 빔 스플리터가 사용된다. 실시예에 따라서는 다른 형태의 빔 스플리터가 펄스 결합부(210)로 사용될 수도 있다.
참고로 도 2의 실시예에서는 시간지연 조절부(204)를 통과한 기본펄스(F(t-τ))와 광경로를 조절하기 위한 미러(206d)로부터 인가된 신호펄스(S(t))의 경로가 서로 상이하므로 두 펄스의 경로를 일치시키기 위한 펄스 결합부(210)가 사용된다. 그러나 실시예에 따라서 집속부(212)에 도달하는 기본펄스(F(t-τ))와 신호펄스(S(t))의 경로가 이미 일치된 경우 펄스 결합부(210)가 생략될 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, 펄스 결합부(210)로부터 인가된 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))는 집속부(212)로 입사된다.
도 2의 실시예에서는 미리 정해진 초점거리를 갖는 집속 렌즈가 집속부(212)로서 사용된다. 실시예에 따라서는 집속 거울이 집속부(212)로 사용될 수도 있다. 집속부(212)는 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))를 집속 지점(24)으로 집속시킨다.
집속 지점(24)으로 집속된 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))는 집속 지점(24)에 존재하는 이온화물질과 반응한다. 집속 지점에 존재하는 이온화물질은 광파와 충돌하여 전자 및/또는 이온을 발생시키는 물질로서, 기체, 액체, 고체 또는 나노 구조물일 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 집속 지점(24)에 존재하는 이온화물질의 종류 및 이온화량 측정부(214)의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 기체가 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 3의 실시예에서는 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))가 집속되는 집속 지점(62)에 이온화물질로서 기체(64)가 존재한다. 기체(64)는 개방된 공간에서 대기 중에 존재할 수 있는데, 실시예에 따라서는 집속 지점(62)에 밀폐된 공간을 형성하고, 밀폐된 공간을 진공상태로 만든 후 내부에 미리 정해진 압력의 기체(64)를 주입 또는 분사할 수 있다.
집속 지점(62)과 인접한 지점에는 전극(41)이 배치된다. 집속 지점(62)에 존재하는 이온화물질에 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))가 집속되면 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))에 의하여 전자 및/또는 이온이 생성된다. 이와 같이 생성되는 전자 또는 이온은 전극(41)을 통해 수집된다.
전극(41)은 두 개의 전도성 물질(예컨대, 금속)로 이루어진다. 또한 생성된 전자 및/또는 이온을 전극으로 수집해 전기적 신호를 생성시키기 위하여 두 개의 전극(41) 사이에는 미리 정해진 크기의 전압이 인가된다. 이에 따라서 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))를 이온화물질에 집속하면 전극(41) 사이에는 전자 및/또는 이온에 의한 전류가 흐르게 된다.
이온화량 산출부(43)는 이온화물질로부터 생성된 전자 및/또는 이온이 전극(41)으로 수집되어 생성된 전류의 크기를 기초로 이온화물질에서 생성되는 전자 및/또는 이온의 양, 즉 이온화량을 산출한다. 기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))에 의해 생성된 전자 및/또는 이온의 양과 전극(41)에 흐르는 전류의 크기 간에는 일정한 관계식이 성립하므로, 이온화량 산출부(43)는 미리 설정된 관계식에 기초하여 측정된 전류의 크기를 기초로 이온화량을 산출할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나 전극(41) 및 이온화량 산출부(43) 사이에는 전류 측정을 보다 정밀하게 수행하기 위하여 전극에서 발생하는 전류의 크기를 증폭시키는 증폭부(미도시)가 연결될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체가 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 4에 도시된 실시예에서는 이온화물질로서 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체(72)가 사용된다. 이에 따라 집속 지점(62)에는 금속체(72)의 말단이 배치된다. 본 실시예와 같이 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체(72)를 사용하면 말단에서 전기장의 세기가 강해지는 현상이 일어나므로 전자 및/또는 이온 형성에 보다 유리하다.
도 4에 도시된 바와 같이 금속체(72)가 이온화물질로 사용될 경우, 금속체(72)가 전극(41)의 일부로서 사용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 이온화물질로서 금속 나노 구조물이 사용될 때의 이온화량 측정부의 구성도이다.
도 5에 도시된 실시예에서는 집속 지점(62)에 금속 나노 구조물(84)을 갖는 기판(82)이 배치된다. 본 실시예와 같이 금속 나노 구조물(84)을 사용하면 나노 구조물에서 전기장의 세기가 강해지는 현상이 일어나므로 전자 또는 이온 형성에 보다 유리하다. 도 5에 도시된 바와 같이 금속 나노물이 사용될 때는 전극(41)이 나노 구조물 형태로 만들어질 수도 있다.
참고로 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예외에도 광파와 반응하여 이온화를 일으키는 것으로 알려진 다른 물질들 또한 본 발명의 이온화물질로서 사용될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 광파 측정 장치는 이온화량 측정부(214)에 의해 측정되는 이온화량을 시간지연에 따라 측정하여 입력 광파의 파형을 획득한다.
본 발명에서 광파의 파형을 획득하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
기본펄스(F(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))가 시간지연(τ)을 가지고 집속 지점(24)에서 이온화물질과 반응할 때 생성되는 이온화량(N(τ))은 [수식 1]과 같다. 참고로 [수식 1]에서는 이온화량이 충분히 작은 것으로 가정되며, 물질의 기저상태 고갈은 고려되지 않는다. 여기서 w(t)는 집속 지점(24)에 존재하는 이온화물질의 이온화율(단위 시간당 이온화 될 확률)이다.
Figure PCTKR2016013373-appb-M000001
[수식 1]에서 EF(t-τ)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기를 나타내고, ES(t)는 신호펄스(S(t))의 전기장 세기이다.
그런데 전술한 바와 같이, 신호펄스(S(t))는 펄스 분리부(202) 및 펄스 조절부(208)에 의해 세기가 조절되어 기본펄스(F(t-τ))의 세기보다 약한 세기를 갖는다. 따라서 [수식 1]은 [수식 2]와 같이 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2016013373-appb-M000002
[수식 2]에서 N0는 신호펄스(S(t))없이 기본펄스(F(t-τ))만으로 생성되는 이온화량을 나타낸다.
또한 g(t)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값으로서
Figure PCTKR2016013373-appb-I000004
이다.
결국 시간지연(τ)에 따른 신호펄스(S(t))에 의해 변화된 이온화변화량(δN(τ))은 [수식 3]과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016013373-appb-M000003
[수식 3]에 따르면, 이온화변화량(δN(τ))은 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값(g(t-τ))과 신호펄스(S(t))의 전기장 세기(ES(t))의 상호상관(cross-correlation) 함수로 나타낼 수 있다.
여기서, [수식 3]의 이온화율의 미분값(g(t-τ))은 기존에 알려진 이온화 모델을 이용해서 기본펄스(F(t-τ))에 관한 함수로 표현될 수 있다. 기본펄스(F(t-τ))와 신호펄스(S(t))는 동일한 입력 광파(LW(t))로부터 분리되므로, 두 펄스의 분산관계를 이용해 신호펄스(S(t))로부터 기본펄스(F(t-τ))를 알 수 있다. 결국, [수식 3]의 적분은 신호펄스(S(t))만의 함수로 표현될 수 있으므로 이온화변화량(δN(τ))으로부터 신호펄스(S(t))의 파형을 찾을 수 있다.
여기서, [수식 3]에 의해 얻어지는 신호펄스(S(t))의 파형은 이온화물질과 반응하는 지점에서의 신호펄스(S(t))의 파형을 말한다. 이온화물질과 반응하는 지점에서의 신호펄스(S(t))의 파형, 이온화물질과 반응하는 지점에서의 기본펄스(F(t-τ))의 파형 및 입력 광파(LW(t))의 파형은 각 실시예에서 주어지는 분산관계에 따라 서로 다른 모양을 가질 수 있다. 각 실시예에서 주어지는 분산관계를 고려하면, 획득된 신호펄스(S(t))로부터 기본펄스(F(t-τ)) 및 입력 광파(LW(t))를 획득할 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 광파 측정 장치는 신호펄스(S(t))에 의해 변화된 이온화변화량(δN(τ))으로부터 획득된 신호펄스(S(t))의 파형으로부터 입력 광파(LW(t))의 파형을 획득할 수 있다.
또한, 위에서 설명했듯이 이온화물질과 반응하는 기본펄스(F(t-τ))의 파형은 [수식 3]을 통해 산출된 이온화물질과 반응하는 신호펄스(S(t))의 파형으로부터 획득할 수 있다. 따라서, 기본펄스(F(t-τ))의 파형으로부터 이온화물질과 반응하는 기본펄스(F(t-τ))의 펄스폭을 획득할 수 있다. 이온화물질과 반응하는 기본펄스(F(t-τ))의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우에는 [수식 3]이 [수식 4]와 같이 더 간략하게 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2016013373-appb-M000004
따라서 이온화물질과 반응하는 기본펄스(F(t-τ))의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(transform-limited pulse duration)(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우에 본 발명의 광파 측정 장치는 [수식 4]에 따라서 신호펄스(S(t))의 파형을 산출할 수 있다. 여기서 변환한계 펄스폭(ΔTL)은 주어진 광파의 스펙트럼으로부터 얻을 수 있는 제일 짧은 펄스폭을 말한다. 본 발명에서 [수식 4]의 사용여부를 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우로 설정하였다. 그러나 실시예에 따라서 [수식 4]의 사용여부를 결정하는 기준은 다르게 설정될 수도 있다.
또한 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배를 초과하는 경우라 하더라도, 기본펄스의 분산을 조절하여 기본펄스의 펄스폭을 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하로 만든 후에 [수식 4]의 적용이 가능하다.
또한 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 광파 측정 장치는 신호펄스(S(t))와 입력 광파(LW(t))의 분산관계를 이용해 입력 광파의 파형을 획득한다.
또한 획득된 입력 광파의 파형으로부터 입력 광파의 시간 영역 및 주파수 영역에서 진폭, 위상, 처프 및 펄스폭 등의 광파에 대한 정보를 획득할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한 본 발명에서 측정된 신호펄스(S(t))의 절대위상(Carrier Envelope Phase, CEP)은 기본펄스(F(t))의 절대위상에 대한 상대적인 위상으로 해석되어야 한다. 따라서, 기본펄스(F(t))의 절대위상이 0으로 설정되지 않은 경우에 측정된 신호펄스(S(t))의 절대위상은 실제값과 다를 수 있다.
이상에서는 기본펄스(F(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시켜 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))의 시간지연(τ)을 조절하는 실시예를 설명하였으나, 반대로 신호펄스(S(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시켜 기본펄스(F(t)) 및 시간지연된 신호펄스(S(t+τ))를 이용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에서 시간지연에 따라 측정된 이온화변화량으로부터 입력 광파의 파형을 획득하는 과정을 나타내는 그래프이다.
앞서 설명된 바와 같이, 본 발명에서 이온화변화량(δN(τ))은 기본펄스(F(t))의 전기장 세기에 대한 이온화율(w(t))과 신호펄스(S(t))의 전기장 세기(ES(t))의 상호상관 함수로 나타낼 수 있다. 도 6 내지 도 10은 이와 같은 상호상관 함수에 따라서 실제로 기본펄스 및 신호펄스의 시간지연에 따라서 신호펄스의 파형을 획득하는 과정을 나타낸다.
예를 들어 도 6 내지 도 10의 그래프(402a 내지 402e)에 도시된 바와 같이, 신호펄스(42)를 우측에서 좌측으로 이동시키면서 기본펄스(44)와 겹쳐질 때 이온화율(w(t))(46)을 계산하여, 시간지연에 따라서 획득된 이온화변화량(δN(τ))(48)값을 그래프(404a 내지 404e)에 표시하면 신호펄스(S(t)) 의 파형(50)을 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 11을 참조하면, 입력 광파(LW(t))는 펄스 분리부(304)에 입사되어 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))로 분리된다. 도 12는 도 11에 도시된 펄스 분리부(304)의 정면도이다. 도 11 및 도 12를 참조하면 펄스 분리부(304)는 제1 영역(304a) 및 제2 영역(304b)을 갖는다. 제1 영역(304a) 및 제2 영역(304b) 사이에는 빈 공간이 형성되므로 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))가 분리될 수 있다.
본 발명에서 제2 영역(304b)은 제1 영역(304a)보다 작은 표면적을 갖는다. 이는 제1 영역(304a) 및 제2 영역(304b)의 표면적이 각각 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))의 세기를 결정하기 때문이다. 본 발명에서 제2 영역(304b)의 표면적은 제2 영역(304b)에서 생성되는 신호펄스(S(t))의 세기가 기본펄스(F(t))의 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이가 되도록 설정될 수 있다. 참고로 제1 영역(304a) 및 제2 영역(304b)은 도 12와 같이 원형이 아닌 다른 형상을 가질 수 있다. 또한 제2 영역(304b)의 위치도 실시예에 따라 달라질 수 있다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이 제2 영역(304b)은 시간지연 조절부(302)와 연결된다. 시간지연 조절부(302)는 화살표(32) 방향에 따라서 제2 영역(304b)을 이동시킴으로써 신호펄스(S(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시킨다. 여기서 시간지연(τ)은 제2 영역(304b)의 이동 방향 및 이동 길이에 따라서 결정될 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 펄스 분리부(304)에 의해 생성된 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))는 집속부(306)로 입사된다. 집속부(306)에 의해 집속 지점(34)으로 집속된 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))는 집속 지점(34)에 존재하는 이온화물질과 반응하여 전자 및/또는 이온을 생성한다.
이온화량 측정부(308)는 집속 지점(34)에서 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정한다. 그리고 본 발명의 광파 측정 장치는 이온화량 측정부(308)에 의해 획득된 이온화변화량(δN(τ))으로부터 입력 광파(LW(t))의 파형을 획득한다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 13을 참조하면, 입력 광파(LW(t))는 펄스 분리부(504)에 입사되어 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))로 분리된다. 도 13의 실시예에서는 일부 영역에 구멍이 뚫린 집속 렌즈와 그 내부에 포함되는 집속 렌즈가 펄스 분리부(504)로서 사용된다. 펄스 분리부(504)는 입력 광파(LW(t))를 반사시켜 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))를 생성한다.
도 13에 도시된 펄스 분리부(504)는 제1 영역(504a) 및 제2 영역(504b)을 포함한다. 이와 같은 펄스 분리부(504)의 단면은 도 12와 같이 형성될 수 있다. 또한 앞서 설명된 바와 같이 제2 영역(504b)은 제1 영역(504a)보다 작은 표면적을 갖는다. 이는 제1 영역(504a) 및 제2 영역(504b)의 표면적이 각각 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))의 세기를 결정하기 때문이다. 본 발명에서 제2 영역(504b)의 표면적은 제2 영역(504b)에서 생성되는 신호펄스(S(t))의 세기가 기본펄스(F(t))의 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이가 되도록 설정될 수 있다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이 제2 영역(504b)은 시간지연 조절부(502)와 연결된다. 시간지연 조절부(502)는 화살표(52) 방향에 따라서 제2 영역(504b)을 이동시킴으로써 신호펄스(S(t))를 시간지연(τ)만큼 지연시킨다. 여기서 시간지연(τ)은 제2 영역(504b)의 이동 방향 및 이동 길이에 따라서 결정될 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, 펄스 분리부(504)에 의해 생성된 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))는 펄스 분리부(504)에 의해 집속 지점(54)으로 입사된다. 즉, 도 13의 실시예에서는 펄스 분리부(504)가 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))를 집속시키는 기능을 가지므로 도 11과 같이 집속부(306)가 별도로 구비될 필요가 없다.
이온화량 측정부(506)는 집속 지점(54)에서 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정한다. 그리고 본 발명의 광파 측정 장치는 이온화량 측정부(506)에 의해 시간지연에 따라서 획득된 이온화변화량으로부터 입력 광파(LW(t))의 파형을 획득한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파 측정 방법의 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 광파 측정 장치는 먼저 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리한다(902). 이 때 신호펄스의 세기는 기본펄스의 세기의 최소 비율에서 최대 비율 사이가 되도록 한다.
다음으로, 광파 측정 장치는 기본펄스 및 신호펄스 사이의 시간지연을 조절한다(904). 그리고 나서 광파 측정 장치는 시간지연이 조절된 기본펄스 및 신호펄스를 이온화물질로 집속시킨다(906). 다음으로, 광파 측정 장치는 집속된 기본펄스 및 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정한다(908). 그리고나서, 광파 측정 장치는 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 시간지연에 따라 획득하여 입력 광파의 파형을 획득한다(910).
이상에서는 기본펄스 및 신호펄스를 이용해 시간지연에 따라 측정된 이온화변화량으로부터 신호펄스의 파형을 측정하는 방법에 대하여 설명하였는데, 여기서 기본펄스만으로 이온화되는 이온화량 N0는 상수인 것으로 가정하였다.
그러나, 실시예에 따라서 기본펄스의 세기가 주변 환경의 영향으로 시간에 따라 변화하는 경우가 있다. 이러한 경우 기본펄스만으로 이온화되는 이온화량 N0값이 시간지연에 따라 변화하여 N0(τ)가 된다. 따라서, 신호펄스(S(t))에 의한 이온화변화량(δN(τ))의 측정이 어려운 문제가 있다.
이하에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 차동 측정법(Differential measurement)을 적용한 실시예를 도15 및 도16을 참조하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차동 측정법을 적용한 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 15를 참조하면, 입력 광파(LW(t))가 펄스 분리부(602)로 입사되어 기본펄스 및 신호펄스로 분리된다. 실시예에 따라서는 분산 조절부(603a 및 603b)에 의해 기본펄스 및/또는 신호펄스의 분산을 조절할 수 있다. 실시예에 따라서는 펄스 세기 조절부(608)가 신호펄스의 세기를 조절한다.
신호펄스는 제1미러(606a), 제2 미러(606b), 제3 미러(606c), 제4 미러(606d)에 의해 반사된다. 기본펄스는 시간지연 조절부(604)에 의해 시간지연이 조절된다. 도 15에서 펄스 분리부(602), 분산 조절부(603a 및 603b), 펄스 세기 조절부(608), 제1미러(606a), 제2 미러(606b), 제3 미러(606c), 제4 미러(606d) 및 시간지연 조절부(604)의 기능은 도 2의 실시예와 같다.
시간지연 조절부(604)로부터 인가된 기본펄스는 제1 펄스 분리부(609)에 의해 제1 기본펄스(F1(t-τ)) 및 제2 기본펄스(F2(t-τ))로 분리된다. 이 때 제1 기본펄스(F1(t-τ)) 및 제2 기본펄스(F2(t-τ))는 동일한 모양과 세기로 분리되는 것이 바람직하다. 필요한 경우 제1 펄스 분리부(609)에서 생성되는 기본펄스와 신호펄스의 분산의 차이를 보상하는 분산 조절부(미도시)가 추가로 구비될 수 있다.
분리된 제1 기본펄스(F1(t-τ)) 및 제4 미러(606d)에서 반사된 신호펄스(S(t))의 경로는 펄스 결합부(610)에 의해서 제1 기본펄스(F1(t-τ))의 경로와 일치된다. 일치된 제1 기본펄스(F1(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))는 제1 집속부(612a)에 의해 제1 이온화물질이 있는 집속 지점(64a)으로 집속된다.
제1 이온화량 측정부(614a)는 집속된 제1 기본펄스(F1(t-τ)) 및 신호펄스(S(t))에 의해 제1 이온화물질로부터 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 생성된 전류의 크기를 기초로 시간지연에 따른 이온화량(N0(τ)+δN(τ))을 측정한다.
한편, 분리된 제2 기본펄스(F2(t-τ))는 제2 집속부(612b)에 의해 제 2이온화물질이 있는 집속 지점(64b)으로 집속된다. 제2 이온화량 측정부(614b)는 집속된 제2 기본펄스(F2(t-τ))에 의해 제2 이온화물질로부터 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 생성된 전류의 크기를 기초로 시간지연에 따라 이온화량(N0(τ))을 측정한다.
제1 이온화량 측정부(614a)에서 측정된 이온화량(N0(τ)+δN(τ)) 및 제2 이온화량 측정부(614b)에서 측정된 이온화량(N0(τ))을 이용하면, 시간지연에 따라 변화하는 N0(τ)의 영향을 감소시킬 수 있다. 예를 들어 ((N0(τ)+δN(τ))/ N0(τ) - 1)를 계산하면, 정규화된 이온화변화량, 즉 δN(τ)/N0(τ)을 구할 수 있다.
주변 환경 변화의 영향으로 입력 광파의 세기가 시간지연에 따라 변화할 때 δN(τ) 및 N0(τ)가 함께 변화하게 된다. 제1 이온화량 측정부(614a)에서 측정된 이온화량(N0(τ)+δN(τ)) 및 제2 이온화량 측정부(614b)에서 측정된 이온화량(N0(τ))을 이용하여 정규화된 이온화변화량(δN(τ)/N0(τ))을 산출하면 주변 환경 변화의 영향이 상쇄되어 보다 안정적으로 입력 광파의 파형을 획득할 수 있다. 즉, 정규화된 이온화변화량(δN(τ)/N0(τ))을 상기 [수식 3] 또는 [수식 4]의 좌변에 δN(τ) 대신 대입하여 전술한것과 같은 방법으로 신호펄스의 파형을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 광파 측정 장치는 제1 이온화량 측정부(614a)에서 측정된 이온화량(N0(τ)+δN(τ)) 및 제2 이온화량 측정부(614b)에서 측정된 이온화량(N0(τ))을 이용해 정규화된 이온화변화량 (δN(τ)/N0(τ))을 산출하여 신호펄스의 파형을 획득한다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차동 측정법을 적용한 광파 측정 장치의 구성도이다.
도 16을 참조하면, 입력 광파(LW(t))는 펄스 분리부(704)에 입사되어 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t))로 분리된다. 이 때, 시간지연 조절부(702)는 신호펄스(S(t))의 시간지연을 조절한다. 결국, 시간지연된 신호펄스(S(t+τ)) 및 기본 펄스(F(t))는 펄스 분리부(704)에 의해 제1 이온화물질이 있는 집속 지점(74a)에 집속된다.
제1 이온화량 측정부(706a)는 기본펄스(F(t)) 및 신호펄스(S(t+τ))에 의해 제1 이온화물질에서 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 시간지연에 따라 이온화량(N0(τ)+δN(τ))을 측정한다.
제1 이온화물질이 있는 지점을 지난 기본펄스 및 신호펄스는 다시 커지게 된다. 이 때 제2 집속부(705)에 의해 제2 이온화물질이 있는 집속 지점(74b)에는 기본펄스만 선택적으로 집속된다. 제2 이온화량 측정부(706b)는 집속된 기본펄스만으로 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 시간지연에 따라 이온화량(N0(τ))을 측정한다.
주변 환경 변화의 영향으로 광파의 세기가 시간지연에 따라 변화할 때 δN(τ) 및 N0(τ)가 함께 변화하게 된다. 제1 이온화량 측정부(706a)에서 측정된 이온화량(N0(τ)+δN(τ)) 및 제2 이온화량 측정부(706b)에서 측정된 이온화량(N0(τ))을 이용하여 정규화된 이온화변화량(δN(τ)/N0(τ))을 산출하면 주변 환경 변화의 영향이 상쇄되어 보다 안정적인 광파의 측정이 가능하다. 따라서, 본 발명의 광파 측정 장치는 제1 이온화량 측정부(706a)에서 측정된 이온화량(N0(τ)+δN(τ)) 및 제2 이온화량 측정부(706b)에서 측정된 이온화량(N0(τ))을 이용해 정규화된 이온화변화량(δN(τ)/N0(τ))을 산출하여 신호펄스의 파형을 획득한다.
도 17은 종래 기술(Petahertz Optical Oscilloscope 방법)을 이용하여 측정된 극초단 레이저 펄스의 파형 및 본 발명의 방법에 따라 측정된 극초단 레이저 펄스의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 18은 도 17에 도시된 측정값으로부터 계산된 스펙트럼의 진폭 및 위상값을 나타내는 그래프이다.
참고로 도 17 및 도 18의 실험 결과는 중심 파장 730 나노미터(nm), 펄스폭 5 펨토초(fs)를 갖는 극초단 레이저 펄스를 입력 광파로 사용하고 5 미리바(mbar) 압력의 제논 가스를 이온화물질로 사용하여 얻어진 것이다. 또한 기본펄스의 세기는 1×1013 W/cm2이며, 신호펄스의 전기장 세기는 기본펄스의 전기장 세기의 3%이다.
도 17에는 본 발명에 따른 광파 측정 방법에 의해 측정된 극초단 레이저 펄스의 파형(1002) 및 종래 기술에 따라서 측정된 극초단 레이저 펄스의 파형(1004)이 각각 도시되어 있고, 도 18에는 본 발명의 광파 측정 방법에 의해 측정된 파형(1002)의 스펙트럼의 진폭(1202) 및 위상(1102), 그리고 종래 기술에 따라서 측정된 파형(1004)의 스펙트럼의 진폭(1204) 및 위상(1104)이 각각 도시되어 있다. 또한 도 18에는 비교를 위해 그레이팅 분광기로 측정한 스펙트럼의 진폭(1206)도 도시되어 있다.
도 17 및 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이 동일한 레이저 펄스를 본 발명에 따른 광파 측정 방법으로 측정하더라도 종래의 측정 방법들과 거의 유사한 결과를 얻을 수 있다.
결국 본 발명에 따르면 보다 간단한 구성, 그리고 종래 기술들이 갖는 제약 사항 없이 광파의 파형을 정확하게 측정할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (35)

  1. 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 시간지연에 따라 획득하여 입력 광파의 파형을 획득하는 광파 측정 장치에 있어서,
    입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 펄스 분리부;
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 시간지연 조절부;
    시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 집속부; 및
    집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부를 포함하는
    광파 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 광파의 파형은 하기 [수식 3]을 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 장치.
    [수식 3]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000005
    상기 [수식 3]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, N(τ)는 시간지연 τ에 따라 측정된 이온화량이고, N0는 기본펄스 만으로 생성된 이온화량이고, g(t-τ)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값이고, ES(t)는 신호펄스의 파형이다.
  3. 제1항에 있어서,
    이온화물질과 반응하는 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우,
    상기 입력 광파의 파형은 하기 [수식 4]를 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 장치.
    [수식 4]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000006
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기체로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온화물질은 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기판 상에 배치되는 나노 구조물로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    미리 정해진 비율에 따라서 상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 세기를 조절하는 하나 이상의 펄스 세기 조절부를 더 포함하는
    광파 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 분산을 조절하는 하나 이상의 분산 조절부를 더 포함하는
    광파 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 분리부는
    상기 입력 광파를 미리 정해진 비율에 따라 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스로 분리하는 빔 스플리터인
    광파 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 시간지연 조절부는 하나 이상의 반사 미러를 포함하고,
    상기 시간지연 조절부는 상기 하나 이상의 반사 미러의 위치를 조절하여 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는
    광파 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스의 경로를 일치시키는 펄스 결합부를 더 포함하는 광파 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 분리부는
    미리 정해진 비율에 따라 나누어진 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 기본펄스를 생성하고,
    상기 제2 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 신호펄스를 생성하고,
    상기 시간지연 조절부는
    상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역의 위치를 이동시켜 상기 기본펄스와 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는
    광파 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기본펄스를 제1 기본펄스 및 제2 기본펄스로 분리하는 제2 펄스 분리부;
    상기 제2 기본펄스를 제2 이온화물질로 집속시키는 제2 집속부; 및
    상기 제2 집속부에 의해 집속된 상기 제2 기본펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 포함하고,
    상기 집속부는
    상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속하고,
    상기 이온화량 측정부는
    집속된 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하고,
    상기 이온화량 측정부에서 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 제2 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득함으로써 상기 입력 광파의 파형이 획득되는
    광파 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이온화 물질에 집속되어 전자 및/또는 이온을 생성한 상기 기본펄스를 제2 이온화물질이 있는 집속 지점으로 집속하는 제2 집속부; 및
    상기 제2 집속부에 의해 집속된 상기 기본펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 포함하고,
    상기 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득함으로써 상기 입력 광파의 파형이 획득되는
    광파 측정 장치.
  15. 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 단계;
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 단계;
    시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계;
    집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계; 및
    상기 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 입력 광파의 파형을 획득하는 단계를 포함하는
    광파 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 입력광파의 파형은 하기 [수식 3]을 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 방법.
    [수식 3]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000007
    상기 [수식 3]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, N(τ)는 시간지연 τ에 따라 측정된 이온화량이고, N0는 기본펄스 만으로 생성된 이온화량이고, g(t-τ)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값이고, ES(t)는 신호펄스의 파형이다.
  17. 제15항에 있어서,
    이온화물질과 반응하는 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우,
    상기 입력 광파의 파형은 하기 [수식 4]를 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 방법.
    [수식 4]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000008
    상기 [수식 4]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, ES(τ)는 신호펄스의 파형이다.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기체로 이루어지는
    광파 측정 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 이온화물질은 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체로 이루어지는
    광파 측정 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기판 상에 배치되는 나노 구조물로 이루어지는
    광파 측정 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    미리 정해진 비율에 따라서 상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 세기를 조절하는 단계를 더 포함하는
    광파 측정 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 분산을 조절하는 단계를 더 포함하는
    광파 측정 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하는 단계는
    상기 입력 광파를 미리 정해진 비율에 따라 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스로 분리하는 빔 스플리터에 의해 수행되는
    광파 측정 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 단계는
    하나 이상의 반사 미러의 위치를 조절하여 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 단계를 포함하는
    광파 측정 방법.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스의 경로를 일치시키는 단계를 더 포함하는
    광파 측정 방법.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 기본펄스를 제1 기본펄스 및 제2 기본펄스로 분리하는 단계;
    상기 제2 기본펄스를 상기 제2 이온화물질로 집속시키는 단계; 및
    집속된 상기 제2 기본펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 시간지연이 조절된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계는
    상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 단계를 포함하고,
    상기 집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계는
    집속된 상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 입력 광파의 파형을 획득하는 단계는
    상기 제1 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득하여 상기 입력 광파의 파형을 획득하는 단계를 포함하는
    광파 측정 방법.
  27. 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량을 시간지연에 따라 획득하여 입력 광파의 파형을 획득하는 광파 측정 장치에 있어서,
    입력 광파를 기본펄스 및 신호펄스로 분리하고 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이온화물질로 집속시키는 펄스 분리부;
    상기 기본펄스 및 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는 시간지연 조절부; 및
    집속된 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스에 의해 생성된 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 이온화량 측정부를 포함하는
    광파 측정 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 입력 광파의 파형은 하기 [수식 3]을 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 장치.
    [수식 3]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000009
    상기 [수식 3]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, N(τ)는 시간지연 τ에 따라 측정된 이온화량이고, N0는 기본펄스 만으로 생성된 이온화량이고, g(t-τ)는 기본펄스(F(t-τ))의 전기장 세기에 대한 이온화율의 미분값이고, ES(t)는 신호펄스의 파형이다.
  29. 제27항에 있어서,
    이온화 물질과 반응하는 기본펄스의 펄스폭이 기본펄스의 변환한계 펄스폭(ΔTL)의 2.5배 이하인 경우,
    상기 입력 광파의 파형은 하기 [수식 4]를 이용하여 산출된 신호펄스의 파형으로부터 획득되는
    광파 측정 장치.
    [수식 4]
    Figure PCTKR2016013373-appb-I000010
    상기 [수식 4]에서 δN(τ)는 시간지연 τ에 따라 신호펄스에 의해 변화된 이온화변화량이고, ES(τ)는 신호펄스의 파형이다.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기체로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 이온화물질은 말단이 뾰족한 형상을 갖는 금속체로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 이온화물질은 기판 상에 배치되는 나노 구조물로 이루어지는
    광파 측정 장치.
  33. 제27항에 있어서,
    미리 정해진 비율에 따라서 상기 기본펄스 및/또는 상기 신호펄스의 세기를 조절하는 하나 이상의 펄스 세기 조절부를 더 포함하는
    광파 측정 장치.
  34. 제27항에 있어서,
    상기 펄스 분리부는
    미리 정해진 비율에 따라 나누어진 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 기본펄스를 생성하고,
    상기 제2 영역은 상기 입력 광파의 일부를 반사시켜 신호펄스를 생성하고,
    상기 시간지연 조절부는
    상기 제1 영역 또는 상기 제2 영역의 위치를 이동시켜 상기 기본펄스와 상기 신호펄스 사이의 시간지연을 조절하는
    광파 측정 장치.
  35. 제27항에 있어서,
    상기 이온화물질에 집속되어 전자 및/또는 이온을 생성한 상기 기본펄스를 제2 이온화물질이 있는 집속 지점으로 집속하는 제2 집속부; 및
    상기 제2 집속부에 의해 집속된 상기 기본펄스에 의해 생성되는 전자 및/또는 이온으로부터 이온화량을 측정하는 제2 이온화량 측정부를 더 포함하고,
    상기 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스 및 상기 신호펄스를 이용해 얻어진 이온화량 및 상기 제2 이온화량 측정부에서 상기 기본펄스만을 이용해 얻어진 이온화량으로부터 획득된 정규화된 이온화변화량을 상기 시간지연에 따라 획득함으로써 상기 입력 광파의 파형이 획득되는
    광파 측정 장치.
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