[논문]중적외선 광 파라메트릭 발진기를 이용한 중적외선 분광기 성능 평가

남희진; 김승관; 배인호; 최영준; 고재현

doi:10.3807/kjop.2019.30.4.154

초록
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기존에 개발되었던 광 파라메트릭 발진기를 이용해 중적외선 분광기의 성능 평가 장치를 구축하였다. 사용된 중적외선 광 파라메트릭 발진기는 파장 1064 nm의 연속파 레이저로 펌핑되는 fan-out형 MgO-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) 비선형 결정을 사용하여 파장가변 영역이$ 2.5{\sim}3.6{\mu}m$인 공중심 공진기 구조를 가지고 있다. 이 광 파라메트릭 발진기에 중적외선용 적분구 및 푸리에 변환 적외선 광 스펙트럼 분석기를 결합하여 중적외선 분광기 성능평가 장치를 구축하였다. 구축된 평가장치를 국내에서 개발한 중적외선용 분광기에 적용, 성능 평가를 진행함으로써 본 평가 장치를 분광기의 파장 분해능, 신호대잡음비, 분광 떠돌이광 등의 성능을 평가하는데 활용할 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have used a mid-IR (mid-infrared) continuous-wave (cw) optical parametric oscillator (OPO), developed previously and described in Ref. 12, to build a performance-evaluation setup for a mid-IR spectrometer. The used CW OPO had a wavelength tuning range of $ 2.5-3.6{\mu}m$ using a pump l...

We have used a mid-IR (mid-infrared) continuous-wave (cw) optical parametric oscillator (OPO), developed previously and described in Ref. 12, to build a performance-evaluation setup for a mid-IR spectrometer. The used CW OPO had a wavelength tuning range of $ 2.5-3.6{\mu}m$ using a pump laser with a wavelength of 1064 nm and a fan-out MgO-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) nonlinear crystal in a concentric cavity design. The OPO was combined with a near-IR integrating sphere and a Fourier-transform IR optical spectrum analyzer to build a performance-evaluation setup for mid-IR spectrometers. We applied this performance-evaluation setup to evaluating a mid-IR spectrometer developed domestically, and demonstrated the capability of evaluating the performance, such as spectral resolution, signal-to-noise ratio, spectral stray light, and so on, based on this setup.

Keyword

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the OPO setup by using MgO:PPLN single crystal and a DPSS pump laser (Nd:YAG) for generating continuous-wave output in the mid-IR range (BS, beam splitter; CW DPSS, continuous-wave diode pumped solid state; HR@1064, high-reflectivity mirror at 1064 nm; HWP, half-wave plate; M, mirror; DM, dichroic mirror).
그림 Fig. 2. (a) Schematic diagram showing the alignment of mid-IR light sources, the integrating sphere, the FTIR OSA and the mid-IR spectrometer. (b) A photograph showing the evaluation optical setup for the mid-IR spectrometer. (LIRS, Lunar InfraRed Spectrometer).
그림 Fig. 3. Throughput obtained by 2-dimensional scanning of the parallel laser beam of light source at 4 different wavelengths.
그림 Fig. 4. Wavelength dependence of the relative throughput obtained from the ratio of the two output measurements.
표 Table 1. Relative uncertainty and relative standard uncertainty of the individual components at 4 different wavelengths
그림 Fig. 5. The output of the mid-IR spectrometer for the input beam at the wavelength of 3.1 μm as a function of wavelength (vertical axis) and spatial coordinate (horizontal axis).

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존에 개발된 중적외선 OPO를 활용해 중적외선 분광기의 성능 평가 장치를 개발한 연구 결과를 보고 한다. 사용된 중적외선 OPO는 fan-out형 MgO:PPLN 결정을 사용하여 좁은 선폭을 갖도록 연속 발진하는 파장가변형 OPO이다^[12] .
5 µm로 하였다. 또한 여기서 개발한 중적외선 분광기 성능 평가 장치를 사용하여 국내에서 개발이 진행되고 있는 중적외선 분광기의 성능을 평가한 예를 보여주고자 한다.

제안 방법

보통 중적외선 분광기는 분광 기능을 가지면서 카메라 형태로 물체의 표면 이미지를 찍는 경우가 많다. 중적외선 분광기의 성능 평가 장치도 이와 비슷한 조건을 구현하기 위해 중적외선용 적분구를 사용하여 중적외선 분광기가 적분구의 개구로부터 나오는 Lambertian 광원을 볼 수 있도록 한 후분광 특성을 측정할 수 있도록 하였다. OPO로부터 출력되는 레이저를 FTIR OSA에 입사시켜 파장을 측정한 후 이를 다시 적분구로 입사시키기 위해 적분구를 2축 자동 선형이동 장치 위에 설치하였다.
본 연구에서는 1064 nm 파장의 펌프 레이저와 fan-out 형 MgO:PPLN 비선형 결정을 사용한 연속발진 중적외선 OPO를 이용하여 파장가변 영역 2.5~3.6 µm 범위에서 좁은 선폭의 중적외선 광원을 이용, 중적외선 분광기의 분광 성능을 평가할 수 있는 장치를 개발한 후 국내에서 개발한 중적외선 분광기의 성능을 평가한 사례를 제시하였다. 이를 통해 본 중적외선 분광기 성능 평가 장치를 활용해 분광기의 다양한 성능을 평가할 수 있음을 확인하였다.
여기서 오차 막대는 측정값의 합성표준불확도를 나타낸다. 합성표준불확도를 구성하는 개별 불확도 성분 으로는 적분구 입사창으로 들어가는 빔의 출력 측정의 반복성, 적분구 출사창 출력 측정의 반복성, 검출기 정렬에 따른 출력 측정의 재현성, 그리고 광원의 안정도에 따른 출력 비의 불확도를 포함하였고, 표 1에 파장 별로 개별 성분의 상대 불확도와 상대 합성표준불확도를 정리하였다. 그림 4에서빨간색 선은 적분구 제조사에서 제공한 코팅 물질의 반사율 데이터를 그린 것이다.

대상 데이터

본 논문에서는 기존에 개발된 중적외선 OPO를 활용해 중적외선 분광기의 성능 평가 장치를 개발한 연구 결과를 보고 한다. 사용된 중적외선 OPO는 fan-out형 MgO:PPLN 결정을 사용하여 좁은 선폭을 갖도록 연속 발진하는 파장가변형 OPO이다^[12] . 파장가변영역은 물 분자의 흡수파장을 고려하여 3.
FTIR OSA로 파장을 측정하기에 앞서, 정확한 측정을 위해 파장 눈금을 교정하였다. 한국표준과학연구원에서 파장이 교정된 광원으로서 중심 파장이 1.3 µm인 파장 기준 광원을 다중모드 광섬유를 통해 FTIR OSA에 입사시켰다. 광섬유의 정렬과 꼬임을 다르게 하여 총 7번 파장을 측정하였고 그 결과 -0.

데이터처리

중적외선 분광기 성능 평가를 위해서는 파장마다 비슷한 수준의 복사 휘도를 갖는 것이 필요하므로 적분구의 파장에 따른 응답 특성(throughput)을 미리 알고 있어야 한다. 적분구의 입사창으로 들어간 중적외선 빛이 적분구 내에서 골고루 확산 반사되어 적분구의 출사창으로 나올 때, 파장에 따라 응답 특성이 상대적으로 얼마나 달라지는지 능동 면적 1 mm 2 인 amplified InAsSb 검출기를 사용하여 측정하였다. 먼저 그림 3은 각 파장의 광원에서 나오는 평행광 빔의 단면을 2차원 스캔하여 얻은 출력 분포이고 이를 적분하여 적분구 입사창으로 들어가는 빔의 출력을 얻었다.

이론/모형

중적외선 분광기 성능 평가 장치에 사용하는 중적외선용 적분구는 내벽이 확산 금코팅된 것으로 LabSphere사에서 제작한 것을 사용하였다. 중적외선 분광기 성능 평가를 위해서는 파장마다 비슷한 수준의 복사 휘도를 갖는 것이 필요하므로 적분구의 파장에 따른 응답 특성(throughput)을 미리 알고 있어야 한다.

성능/효과

5 µm 광원은 표 1에 나타낸 바와 같이 적분구 입사창으로 들어가는 빔의 출력 측정 시 반복성이 크게 나빠져서 오차가 커진 것으로 보인다. 결과적으로는 그림 4를 통해 중적외선용 적분구의 응답 특성이 파장에 무관하게 거의 같음을 알 수 있었다.
6 µm 범위에서 좁은 선폭의 중적외선 광원을 이용, 중적외선 분광기의 분광 성능을 평가할 수 있는 장치를 개발한 후 국내에서 개발한 중적외선 분광기의 성능을 평가한 사례를 제시하였다. 이를 통해 본 중적외선 분광기 성능 평가 장치를 활용해 분광기의 다양한 성능을 평가할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

본 연구 개발 결과를 토대로 비선형 결정의 분극 주기, 공진기 거울의 반사 및 투과 파장 영역 등을 변화시켜 보다 장파장의 중적외선 광원을 만들 수 있으며, 중적외선 분광기 성능 평가뿐만 아니라 센서, 의료, 국방 등 다양한 중적외선 응용 분야에서 광원 및 성능 평가 장치로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중적외선(mid-IR) 영역이란?	중적외선(mid-IR) 영역은 파장이 2.5~10 µm 정도인 적외선 대역을 일컫는다. 이 대역에는 물 분자를 포함한 많은 분자들의 내부 진동에 의한 흡수 스펙트럼이 존재하기 때문에 분자의 존재 여부 및 함량을 알아내는데 있어 유용하게 사용될 수 있다 [1,2] .
	중적외선(mid-IR) 영역의 응용 분야는?	5~10 µm 정도인 적외선 대역을 일컫는다. 이 대역에는 물 분자를 포함한 많은 분자들의 내부 진동에 의한 흡수 스펙트럼이 존재하기 때문에 분자의 존재 여부 및 함량을 알아내는데 있어 유용하게 사용될 수 있다 [1,2] . 또한 중적외선 영역은 흡수 스펙트럼 분석에 기초한 원격 장비에 활용하거나 비침습적으로 인체의 신호를 확인할 수 있기 때문에 의학 진단 분야에서의 활용 가능 성도 높다 [3,4] . 이 외에 환경 모니터링 분야나 천문학, 통신등 많은 응용 분야에서 중적외선 영역의 이용에 관심을 갖고 있다 [5-9] .
	중적외선 영역의 광원으로 어떤 것이 있는가?	이러한 응용에는 중적외선 분광기가 필수적이므로 이에 대한 연구 개발도 활발한데, 그 성능을 평가하기 위해서는 중적외선 영역에서 좁은 선폭을 갖는 파장가변 광원이 필요 하다 [10] . 현재 중적외선 영역의 광원으로는 quantum cascade laser (QCL), interband cascade laser (ICL) 등을 활용할 수 있으나 파장 가변 영역이 좁아 넓은 파장 영역을 포함하기 위해서는 다수의 레이저를 확보해야 하므로 비용이 많이 든다. 한편 광파라메트릭발진기(optical parametric oscillator, OPO) 는 주기적으로 분극된 비선형 결정과 공진기 최적화를 통해 넓은 영역의 파장가변 레이저를 저비용으로 만들 수 있으므로 [11] 그 기술을 활용하여 중적외선 파장가변 광원을 구현할수 있다.

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