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문제 정의
- 본 연구에서는 100 MHz 펨토초 레이저들을 이용하여 비 동시성 광샘플링 방법에 의해 100 MHz의 주파수 분해능을 갖는 고속 테라헤르츠 시간영역 분광을 구현하였다. 펨토초 레이저들 사이의 시간 지터에 의해 결정되는 시간 분해능을 cross-correlation 방법으로 측정하였다.
제안 방법
- 측정시간, 신호대 잡음비, 스펙트럼 띠너비를 고려하여 본 분광기에서 최적의 차주파수가 20 Hz임을 확인하였다. 10 ns의 시간영역에서 측정된 테라헤르츠 신호로부터 얻어진 0.1에서 1.2 THz까지 수증기의 투과 스펙트럼에서 수증기의 흡수선들을 분석하였다. 스펙트럼의 정확도와 민감도를 높이기 위해 스펙트럼에 보이는 변동성을 줄이는 것이 필요하다.
- 기계적인 스테이지 없이 2대의 반복주파수 안정화 펨토초 레이저들을 이용하여 고속 고분해 테라헤르츠 시간영역 분광을 구현하였다. 두 레이저의 상대적인 시간 지터에 기인하는 278 fs의 시간 분해능을 확인하였다.
- 펄스 사이의 시간 간격인 10 ns 전체에서 시간축 신호를 얻으면 스펙트럼 분해능은 레이저의 반복주파수인 100 MHz를 얻는다. 데이터 획득 속도, 신호대 잡음비, 스펙트럼 띠너비를 최대화하기 위해서, 본 분광기에서 사용하는 검출기의 광전류를 증폭하는 가변이득 전류증폭기의 설정과 두 레이저의 차주파수 설정을 최적화하였다. 그림 4는 두 레이저의 차주파수를 변화시키면서 10초 동안 측정하여 평균한 시간축 신호의 신호대 잡음비를 보여준다.
- 펨토초 레이저들 사이의 시간 지터에 의해 결정되는 시간 분해능을 cross-correlation 방법으로 측정하였다. 두 대의 펨토초 레이저의 차주파수를 변화시키면서 신호대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)을 측정하여 효율적인 반복주파수 차이를 결정하였다. 또한 본 실험 장치를 이용하여 수증기의 흡수선들을 측정하고 각각의 주파수와 반치폭을 분석하였다.
- 기계적인 스테이지 없이 2대의 반복주파수 안정화 펨토초 레이저들을 이용하여 고속 고분해 테라헤르츠 시간영역 분광을 구현하였다. 두 레이저의 상대적인 시간 지터에 기인하는 278 fs의 시간 분해능을 확인하였다. 측정시간, 신호대 잡음비, 스펙트럼 띠너비를 고려하여 본 분광기에서 최적의 차주파수가 20 Hz임을 확인하였다.
- 그림 3(a)와 (b)는 10 ns의 시간 간격에서 105의 데이터 개수를 갖는 테라헤르츠 전자기파의 시간축 신호와 그것의 fast Fourier transformation(FFT)에 의해 얻어지는 스펙트럼이다. 두 레이저의 차주파수를 20 Hz로 설정하였고, 100초 동안 1000번의 평균 연산을 수행하여 테라헤르츠 신호를 얻었다. 스펙트럼은 0.
- 두 대의 펨토초 레이저의 차주파수를 변화시키면서 신호대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)을 측정하여 효율적인 반복주파수 차이를 결정하였다. 또한 본 실험 장치를 이용하여 수증기의 흡수선들을 측정하고 각각의 주파수와 반치폭을 분석하였다.
- 위의 식에서 SB는 가상 스펙트럼 띠너비이고 AB는 전류 증폭기의 띠너비이다. 또한, 차주파수의 변화에 따라 샘플링 속도를 변화시켜서 10 ns의 전체 시간 지연에서 105개의 일정한 데이터 개수를 갖도록 하였다. 즉, 최소 시간 간격은 100 fs이다.
- 본 논문의 고속 고분해 테라헤르츠 분광기의 중요한 특성은 데이터 획득 속도, 스펙트럼 분해능, 신호대 잡음비, 스펙트럼 띠너비이다. 펄스 사이의 시간 간격인 10 ns 전체에서 시간축 신호를 얻으면 스펙트럼 분해능은 레이저의 반복주파수인 100 MHz를 얻는다.
- 본 분광기를 이용하여 수증기의 흡수선들을 측정하였다. 항온항습 실험실에서 측정하였고 온도는 20℃, 습도는 44%이었다.
- 테라헤르츠 전자기파의 발생과 검출은 광전도 안테나(photo-conductive antenna; PCA)를 사용하였다. 레이저1의 60 mW의 빔을 초점거리 50 mm인 렌즈를 사용하여 발생기에 집속하고 60 V의 전압을 인가하여 발생된 테라헤르츠 전자기파는 초점거리가 3 inch인 4개의 비축 포물경(off-axis parabolic mirror)를 지나 검출기로 집속된다.
- 레이저1의 60 mW의 빔을 초점거리 50 mm인 렌즈를 사용하여 발생기에 집속하고 60 V의 전압을 인가하여 발생된 테라헤르츠 전자기파는 초점거리가 3 inch인 4개의 비축 포물경(off-axis parabolic mirror)를 지나 검출기로 집속된다. 테라헤르츠파를 검출하기 위해, 레이저2의 30 mW 빔을 초점거리 50 mm인 렌즈를 거쳐 검출기에 집속하면서 광전류를 측정한다. 검출된 광전류를 가변이득 전류증폭기에 의해 증폭시키고 LPF(low-pass filter)를 거쳐 디지털 오실로스코프로 데이터를 획득한다.
- 그림 1(b)에서 보여지는 것처럼, 위상잠금루프는 광검출기, 기준발진기, DBM(double-balanced mixer), PI(proportional-integral) 증폭기, 고전압 증폭기, 공진기 거울에 부착된 압전 작동기(piezoelectric actuator)로 구성된다. 펨토초 레이저 출력을 고속 광검출기로 검출하여 1 GHz의 10번째 고조파를 DBM을 이용하여 기준발진기 신호와 비교한다. 위상검출기로 작용하는 DBM의 출력은 위상 오차를 의미한다.
대상 데이터
- 테라헤르츠파를 검출하기 위해, 레이저2의 30 mW 빔을 초점거리 50 mm인 렌즈를 거쳐 검출기에 집속하면서 광전류를 측정한다. 검출된 광전류를 가변이득 전류증폭기에 의해 증폭시키고 LPF(low-pass filter)를 거쳐 디지털 오실로스코프로 데이터를 획득한다. 이때, 차주파수 신호를 사용하여 오실로스코프를 트리거 하고 데이터를 평균화하여 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
- 그림 1(a)는 전체 실험 장치의 개략도이다. 본 실험에서 사용된 2대의 펨토초 펄스레이저 시스템은 10W 출력의 532 nm 연속파 레이저로 펌프되고 100 MHz 반복주파수와 800 nm 중심파장을 갖는다. 펄스폭은 각각 10 fs과 20 fs이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 100 MHz 펨토초 레이저들을 이용하여 비 동시성 광샘플링 방법에 의해 100 MHz의 주파수 분해능을 갖는 고속 테라헤르츠 시간영역 분광을 구현하였다. 펨토초 레이저들 사이의 시간 지터에 의해 결정되는 시간 분해능을 cross-correlation 방법으로 측정하였다. 두 대의 펨토초 레이저의 차주파수를 변화시키면서 신호대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)을 측정하여 효율적인 반복주파수 차이를 결정하였다.
- 합주파수 발생(sum-frequency generation) 방법에 의해 트리거용 차주파수 신호를 만든다. 그림 1(a)와 같이 두 레이저 빔을 빔가르개를 이용하여 나눈 뒤 비선형 광 결정(BBO, 두께 2 mm)에 입사하여 발생하는 합주파수 신호를 12.
성능/효과
- [1] 테라헤르츠 전자기파는 X선과는 달리 인체에 해를 주지 않으면서 비금속과 무편광된 물질에서 투과하고 금속에서 반사하는 특성을 가지고 있으며 그 에너지는 분자들의 비틀림, 회전, 진동 에너지와 공명을 잘 일으키므로 물질 고유의 독특한 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 보안, 감시 분야에서 금지 약물과 위험물에 대한 모니터링과 유기물의 비파괴 분석연구 및 정량분석 등에 활용될 수 있다.
- 반치폭이 278 fs으로서 두 레이저의 펄스들 사이의 시간 지터를 보여주고, 이것은 펨토초 레이저의 반복 주파수 안정화 성능을 보여준다. 결과적으로, cross-correlation 방법으로 직접 측정된 본 시스템의 시간 분해능은 278 fs이다.
- 차주파수가 20 Hz 이상으로 증가할 때, 10초 동안 평균화 횟수의 증가에도 불구하고 전류증폭기의 띠너비의 증가와 함께 이득이 감소하므로 신호대 잡음비가 감소한다. 따라서, 최적의 차주파수는 20 Hz로 결정되었다.
- 두 레이저의 상대적인 시간 지터에 기인하는 278 fs의 시간 분해능을 확인하였다. 측정시간, 신호대 잡음비, 스펙트럼 띠너비를 고려하여 본 분광기에서 최적의 차주파수가 20 Hz임을 확인하였다. 10 ns의 시간영역에서 측정된 테라헤르츠 신호로부터 얻어진 0.
후속연구
- 스펙트럼의 정확도와 민감도를 높이기 위해 스펙트럼에 보이는 변동성을 줄이는 것이 필요하다. 높은 주파수 분해능과 빠른 측정시간을 가진 본 분광기는 다양한 분야에 많은 활용이 기대된다.
- [1] 테라헤르츠 전자기파는 X선과는 달리 인체에 해를 주지 않으면서 비금속과 무편광된 물질에서 투과하고 금속에서 반사하는 특성을 가지고 있으며 그 에너지는 분자들의 비틀림, 회전, 진동 에너지와 공명을 잘 일으키므로 물질 고유의 독특한 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 보안, 감시 분야에서 금지 약물과 위험물에 대한 모니터링과 유기물의 비파괴 분석연구 및 정량분석 등에 활용될 수 있다.[2] 뿐만 아니라 테라헤르츠 전자기파의 수분에 대한 강한 흡수로 인해, 정상 세포에 비하여 암세포의 수분 함량의 상대적인 차이를 분별할 수 있으므로 의료 영상 분야에의 활용과 관련한 연구가 진행 중이다.
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