[논문]테라헤르츠 전자기파 펄스의 변조를 이용한 이미징의 해상도 연구

오승재; 강철; 손주혁

doi:10.3807/kjop.2004.15.1.046

테라헤르츠 전자기파 펄스의 변조를 이용한 이미징의 해상도 연구
Imaging with terahertz electromagnetic pulses 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.15 no.1, 2004년, pp.46 - 50

오승재 (서울시립대학교 물리학과) , 강철 (서울시립대학교 물리학과) , 손주혁 (서울시립대학교 물리학과)

초록
AI-Helper

테라헤르츠 전자기파 펄스(테라파)의 변조를 통하여 주파수별 영상을 얻었다. 갈바노미터를 이용한 고속훑기방법으로 시간축 신호를 실시간으로 획득하였고, 이를 fast Fourier transformation을 통하여 주파수별 신호로 변환하였다. 테라파 접속지점에서 파의 공간 분포를 주파수별로 얻었으며 주파수가 증가할수록 집속직경이 축소됨을 확인하였다. 이 접속지점에서 1차원과 2차원 시료를 이동시킴으로써 각각의 주파수별 영상을 얻었고 주파수가 증가할수록 영상의 해상도가 증가함을 확인하였다. 또한 가려진 시료에 테라파를 투과시킴으로써 비파괴영상을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Images were acquired by the modulation of terahertz electromagnetic signals and compared by modulation frequencies. For the real-time acquisition of images a fast scanning method has been adopted utilizing a galvanometer. The acquired time domain waveforms were transformed into frequency domain data by fast Fourier transformations (FFT). We chose some frequency components to compare the resolution of images. The beam profiles at the focal position were measured by a knife-edge technique. Beam diameter was shown to decrease as the frequency increased. By scanning one- and two-dimensional samples a significant image enhancement was observed with the frequency increment. A nondesouctive imaging system using ㎔ electromagnetic pulses was also demonstrated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

영상화 신호를 주파수 대역별로 나누었고 영상의 해상도가 주파수에 따라서 개선됨을 확인하였다. 또한 눈으로 볼 수 없는 정보를 가시화 하였으며 이를 통하여 테라헤르츠 전자기파를 이용한 비파괴 검사의 가능성을 확인하였다.
[12] 그러므로 주파수는 테라헤르츠 영상 시스템의 해상도를 결정하는 직접적인 요인이 된다. 본 연구에서는 실시간으로 얻은 시간축상의 테라헤르츠 전자기 펄스신호에서 fast Fourier transform을 이용하여 주파수별 신호를 추출하였고 이를 통하여 각 주파수에 따른 영상을 얻고 그 해상도의 비교연구를 수행하였다. 본 실험 결과는 테라헤르츠 통신 및 영상장치의 개발을 위한 귀중한 기초자료가 될 것으로 생각된다.

제안 방법

5 mm의 폭과 10 mm의 길이를 가진 은실선을 종이 표면에 2 mm 간격으로 배열하였으며, 영상 획득의 기초자원이 되는 2차원 데이터를 위해서는 샘플의 폭이 3-2-1 mm인 직 사각형을 서로 엇갈리게 배열하였고 이를 테라파가 집속된 곳에서 x-y죽으로 이동하면서 신호를 얻었다. Receiver chip 으로 받아진 신호는 current preamplifier# 통해서 증폭되었고 이를 오실로스코프를 통해 실시간으로 획득하였으며, 디지털 신호로 변환한 후 PC에서 조합 및 처리되어 영상을 얻었다.
Transmitter chip쪽으로 집속되는 레이저를 20 Hz 주기와 약 20 ps 진폭으로 빨리 왕복시키는 optical delay line(ODL)을 지나게 하여 receiver chip 쪽의 레이져 펄스와의 경로차이를 주었다. 이 때의 경로 차이에 의해 얻어진 상관신호를 current preamplifier로 증폭시킨 후 오실로스코프를 통해 획득하였다.
가시광선에 비해 물질에 대한 투과성이 우수한 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 주파수 대역별 해상도를 비교하였고 비파괴 검사의 가능성을 확인하였다.
광전도 방법을 사용하여 테라헤르츠 전자기파를 발생시켰고 발생된 파는 포물면 거울을 사용하여 집속 하였고 집속 초점 위에서 시료를 이동시킴으로써 서로 다른 두 가지 시료의 모양으로 영상화 실험을 하였다. 고속훑기 방법을 사용하여 실시간으로 테라헤르츠 전자기파의 파형을 얻었고 동시에 FFT 를 하여 주파수 대역별 신호를 추출하였다. 영상화 신호를 주파수 대역별로 나누었고 영상의 해상도가 주파수에 따라서 개선됨을 확인하였다.
광전도 방법을 사용하여 테라헤르츠 전자기파를 발생시켰고 발생된 파는 포물면 거울을 사용하여 집속 하였고 집속 초점 위에서 시료를 이동시킴으로써 서로 다른 두 가지 시료의 모양으로 영상화 실험을 하였다. 고속훑기 방법을 사용하여 실시간으로 테라헤르츠 전자기파의 파형을 얻었고 동시에 FFT 를 하여 주파수 대역별 신호를 추출하였다.
Transmitter chip쪽으로 집속되는 레이저를 20 Hz 주기와 약 20 ps 진폭으로 빨리 왕복시키는 optical delay line(ODL)을 지나게 하여 receiver chip 쪽의 레이져 펄스와의 경로차이를 주었다. 이 때의 경로 차이에 의해 얻어진 상관신호를 current preamplifier로 증폭시킨 후 오실로스코프를 통해 획득하였다.이때 current preamplifier는 1 kHz, 6 dB bandpass filter를 사용하였으며 증폭률은 2nA/V로 고정하였고 이때 얻어진 시간축에 의한 신호는 그림 4(a)와 같고 신호대 잡음비는 140:1 이다.
cnL의 저항값을 가지고 있다. 이렇게 발생된 테라헤르츠 전자기파를 샘플과 receiver로 집속하기 위해 그림 1과 같이 각각 초점길이가 4인치, 2인치인 off-axis 파라볼릭 미러를 한 쌍씩 사용하였다.
이때 다이폴 갭 사이의 간격, 폭, 그리고 라인의 너비는 모두 동일하게 5 μm 이며 두 라인 사이의 간격은 20^1111이다. 자유공간과 웨이퍼의 굴절율 차에 의해 발생되는 전반사 현상 방지와 집속된 레이저에 의해서 발생되는 테라헤르츠 전자기파의 공간상의 퍼짐을 줄이기 위해 이 주파수 대역에서 매우 좋은 투과성을 가지며 GaAs 표면과 비슷한 굴절률을 가지고 있는 실리콘 렌즈를 제작하여 chip 뒤에 부착시켰다. 이 실리콘 렌즈는 지름이 8.
주파수 변화에 따른 해상도 향상을 확인하기 위해 사용된 샘플은 그림 3과 같이 1 차원 데이터를 얻기 위해서 3-2-1- 0.5 mm의 폭과 10 mm의 길이를 가진 은실선을 종이 표면에 2 mm 간격으로 배열하였으며, 영상 획득의 기초자원이 되는 2차원 데이터를 위해서는 샘플의 폭이 3-2-1 mm인 직 사각형을 서로 엇갈리게 배열하였고 이를 테라파가 집속된 곳에서 x-y죽으로 이동하면서 신호를 얻었다. Receiver chip 으로 받아진 신호는 current preamplifier# 통해서 증폭되었고 이를 오실로스코프를 통해 실시간으로 획득하였으며, 디지털 신호로 변환한 후 PC에서 조합 및 처리되어 영상을 얻었다.
주파수의 증가에 따른 집속 지름의 변화를 측정하기 위해서 스테퍼 (stepper)를 사용하여 집속 부위에서 칼날을 1차원으로 50μm씩 이동시키면서 각각 0.4, 0.8, 1.2 THz에서의 신호와 적분 된 신호를 얻었다. 그림 5에서와 같이 주파수가 증가함에 따라 신호의 감소 기울기가 증가하였고 신호크기의 40%의 지점에서 2.

대상 데이터

Fast-scanning 방법을 위해 retro-reflector 를 부착시킨 gal.,anometer로는 Clark-MRx 사에서 제작한 optical delay line (ODL-150)을 사용하였으며, 이때 훑기 반복률은 함수발생기를 사용하여 20 Hz로 유지하였다.
이 다이폴 갭 사이의 간격과 다이폴의 폭은 각각 5 μm와 20 μm이 고각 라인의 너비는 5 μm이었으며 두 라인 사이의 간격은 80 으로 하였다. Receiver chipe carrier의 수명이 약 250 fs로 아주 짧은 ET-GaAs 웨이퍼 위에 그림 2(b>와 같은 다이폴 안테나를 Ti/Au 라인을 이용하여 증착시켰다. 이때 다이폴 갭 사이의 간격, 폭, 그리고 라인의 너비는 모두 동일하게 5 μm 이며 두 라인 사이의 간격은 20^1111이다.
이 레이저는 그림 1과 같이 beamsplitter를 통해 두 개의 경로로 나누어지고 각각 8 mm 초점 길이에 20배의 확대 폭을 가진 집속 렌즈를 사용하여 10''/의 전압을 인가한 transmitter chip과 current pre-amplifiei에 연결 되어있는 receiver chip에 집속 되었다. 그림 2(a)와 같이 transmitter chipe GaAs 웨이퍼위에 다이폴 형태의 헤르찌안 안테나를 Ti/Au로 증착하여 제작하였다. 이 다이폴 갭 사이의 간격과 다이폴의 폭은 각각 5 μm와 20 μm이 고각 라인의 너비는 5 μm이었으며 두 라인 사이의 간격은 80 으로 하였다.
자유공간과 웨이퍼의 굴절율 차에 의해 발생되는 전반사 현상 방지와 집속된 레이저에 의해서 발생되는 테라헤르츠 전자기파의 공간상의 퍼짐을 줄이기 위해 이 주파수 대역에서 매우 좋은 투과성을 가지며 GaAs 표면과 비슷한 굴절률을 가지고 있는 실리콘 렌즈를 제작하여 chip 뒤에 부착시켰다. 이 실리콘 렌즈는 지름이 8.9 mm이고, 높이가 6.1 mm인 hyper-hemispherical 형태로 제작하였으며 약 10kQ . cnL의 저항값을 가지고 있다.
테라헤르츠 전자기파의 발생과 검출을 위한 소스로는 Spectra-Physics 사의 고체레이저 MilleniaV를 이용하여 5 W로 pumping된 Ti:sapphire 레이저인 Tsunami를 사용하였다. 이때 레이저의 반복률은 82 MHz이고 중심파장은 790 nm이 며 띠너비는 14nm이고 펄스너비는 82fs이다.

성능/효과

2 THz의 주파수별 신호와 적분된 신호를 얻었고 이를 통해 1차원상의 주파수별 해상도의 변화를 보였다. 그림 6에서와 같이 주파수의 증가에 따라 시료의 형태 따른 변화폭과 은실선의 경계에서의 기울기가 증가하고 1.0, 0.5 mm의 은실선의 정보가 관찰되며 특히 0.5 mm의 경우에는 0.4 THz에서는 관찰되지 않으나 0.8 THz와 적분된 신호에서 점차로 그 형태가 나타나고 1.2THz에서는 분명하게 관찰되었다. 이를 통해 주파수의 증가에 따른 해상도의 증가를 확인할 수 있다.
고속훑기 방법을 사용하여 실시간으로 테라헤르츠 전자기파의 파형을 얻었고 동시에 FFT 를 하여 주파수 대역별 신호를 추출하였다. 영상화 신호를 주파수 대역별로 나누었고 영상의 해상도가 주파수에 따라서 개선됨을 확인하였다. 또한 눈으로 볼 수 없는 정보를 가시화 하였으며 이를 통하여 테라헤르츠 전자기파를 이용한 비파괴 검사의 가능성을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서는 실시간으로 얻은 시간축상의 테라헤르츠 전자기 펄스신호에서 fast Fourier transform을 이용하여 주파수별 신호를 추출하였고 이를 통하여 각 주파수에 따른 영상을 얻고 그 해상도의 비교연구를 수행하였다. 본 실험 결과는 테라헤르츠 통신 및 영상장치의 개발을 위한 귀중한 기초자료가 될 것으로 생각된다.
위의 결과를 통하여 더 나은 영상화 장치의 개발을 위해서는 좀더 높은 주파수 대역을 얻을 수 있는 소스의 개발과 검출 방법에 대한 연구가 필요하며 이와 동시에 여러 물질에 대한 주파수별 정보의 library화가 요구된다.

참고문헌 (11)

Son, J., Sha, W., Kim, J., Norris, T. B., Whitaker, J. F., Mourou, G. A.. Transient velocity overshoot dynamics in GaAs for electric fields ≤ 200 kV/cm. Applied physics letters, vol.63, no.7, 923-925.

상세보기
Son, Joo-Hiuk, Norris, Theodore B., Whitaker, John F.. Terahertz electromagnetic pulses as probes for transient velocity overshoot in GaAs and Si. Journal of the Optical Society of America. B, Optical physics, vol.11, no.12, 2519-.

상세보기
Köhler, Rüdeger, Tredicucci, Alessandro, Beltram, Fabio, Beere, Harvey E., Linfield, Edmund H., Davies, A. Giles, Ritchie, David A., Iotti, Rita C., Rossi, Fausto. Terahertz semiconductor-heterostructure laser. Nature, vol.417, no.6885, 156-159.

상세보기
10.1063/1.103120
Jeon, Tae-In, Grischkowsky, D.. Nature of Conduction in Doped Silicon. Physical review letters, vol.78, no.6, 1106-1109.

상세보기
Harde, H., Katzenellenbogen, N., Grischkowsky, D.. Terahertz coherent transients from methyl chloride vapor. Journal of the Optical Society of America. B, Optical physics, vol.11, no.6, 1018-.

상세보기
10.1364/OL.20.001716
Mittleman, D.M., Jacobsen, R.H., Nuss, M.C.. T-ray imaging. IEEE journal on selected topics in quantum electronics : a publication of the IEEE Communications Society, vol.2, no.3, 679-692.

상세보기
10.1364/OL.22.000904
Johnson, Jon L., Dorney, Timothy D., Mittleman, Daniel M.. Enhanced depth resolution in terahertz imaging using phase-shift interferometry. Applied physics letters, vol.78, no.6, 835-837.

상세보기
Cheville, R. A., McGowan, R. W., Grischkowsky, D.. Time Resolved Measurements Which Isolate the Mechanisms Responsible for Terahertz Glory Scattering from Dielectric Spheres. Physical review letters, vol.80, no.2, 269-272.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증