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0.1 cm<SUP>-1</SUP> 분광 분해능을 위한 회전거울쌍 기반 소형 광학 자가상관기 개발
이승후(S.-H. Lee),송대원(D.-W. Song),이주형(J. Lee) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.5월
펄스레이저의 펄스 폭 측정 또는 광원의 흡수스펙트럼 측정을 위해 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer) 기반의 광학 자가상관기는 퓨리에 변환 분광기(Fourier Transform Spectrometer)에 널리 이용되고 있다. 퓨리에 변환분광기는 유해가스 특정 및 농도 측정을 위한 가스 흡수스펙트럼 분석 또는 미세패턴 구조분석을 위한 분광타원계측법 등의 분야에 적용되며 이를 위해 0.1 cm<sup>-1</sup> 이하의 고분해능 퓨리에 변환 분광 기법이 요구된다. 이러한 고분해능의 퓨리에 변환 분광 기법을 위해서는 마이켈슨 간섭계 내의 측정거울을 긴 스트로크(Stroke) 로 선형이송하여 정밀 선형스테이지를 구축해야한다. 이는 근본적으로 자가상관기의 소형화에 제한되며 선형스테이지에 창착된 측정거울을 일정한 속도로 기계적 주사(Scanning) 하는 고난이도의 제어기법과 복잡한 데이터 후처리 기법이 요구되므로 정밀 선형스테이지를 구축하기에 한계가 있다. 이러한 측정거울의 선형 이송 시 발생하는 근본적인 문제를 해결하기 위해 측정거울의 선형이송이 아닌 거울쌍의 회전운동을 통한 기계적 주사를 발생시키는 자가상관기 원리가 제안되었으며, 본 연구에서는 0.1 cm<sup>-1</sup> 이하의 분광 분해능을 가지는 회전거울쌍 기반의 광학 자가상관기를 개발하였다. 광학 자가상관기의 설계 변수를 최적화하기 위해 광경로를 시뮬레이션 하였고 He-Ne 레이저를 활용하여 개발한 자가상관기의 분광 분해능 및 설계 결과 대비 오차를 평가, 분석하였다. 또한 넓은 스펙트럼을 갖는 백색광원을 적용하여 실제 자가상관신호를 획득하였다.
소형 광학자가상관기를 이용한 푸리에 변환분광 기법의 근적외선 대역 스펙트럼 측정
송대원(D.-W. Song),이우정(W.-J. Lee),이승후(S.-H. Lee),이주형(J.-H. Lee) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
푸리에 변환 적외선 분광기법(Fourier-transform Infrared Spectroscopy, FTIR)은 적외선 대역의 넓은 스펙트럼을 고분해능으로 측정할 수 있는 기술로 대기환경, 제약, 고분자 및 플라스틱 생산 등 여러 분야에 물질 식별 및 정량에 이용되고 있다. 특히 대상 물질의 분자의 고유진동수에 따라 흡수하는 파장을 분석하는 흡수스펙트럼 분광기법의 경우 0.1 cm<SUP>-1</SUP> 수준의 높은 분광 분해능을 요구하므로 기존의 마이켈슨 간섭계 기반의 FTIR 시스템의 경우 반사경의 요구 이송거리가 증가하게 되어 시스템의 비대화 및 고속 측정의 제한이 된다. 본 연구에서는 위와 같은 고분해능, 고속 측정 특성을 만족시키기 위한 회전거울쌍을 이용한 광학자가상관기 기반의 FTIR 시스템을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 회전거울쌍을 이용한 광학자가상관기는 기존 반사경의 수평 이송스테이지를 회전스테이지로 대체하여 간섭계의 주사거리는 유지하면서 고속 주사가 가능한 장점이 있다. 또한 근적외선을 포함한 백색광원 및 He-Ne 레이저를 동시에 간섭계에 입사시켜 백색광의 간섭신호와 He-Ne 레이저의 간섭신호를 동시에 획득하였으며 이때 각각의 간섭 신호는 측정대상물질의 흡수스펙트럼 도출과 자가상관기의 주사거리보정에 이용하였다. 실제 분광기의 성능을 검증하기 위해 파장 근적외선 대역에서 흡수선을 보이는 HCN 가스셀을 통과한 백색광의 흡수스펙트럼을 분석하였으며 기준 흡수 파장 정보를 이용하여 그 정확도를 평가하였다.