원격 탐사를 위한 광섬유 펨토초 레이저의 반복률 주사를 통한 퓨리에 변환 분광

Abstract

원격 탐사 분야에서 실시간 화학적 입자 또는 분자의 식별 및 분석을 위한 1 GHz 이하의 분해능 성능의 분광 기술의 개발이 최근 대두되고 있다. 특히, 펨토초 레이저와 같은 넓은 대역폭의 광원을 사용함으로써 여러 물질의 흡수선 정보를 한번의 측정으로 동시에 얻을 수 있기 때문에 현재, 펨토초 레이저를 광대역 분광 기술에 적용하기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 이러한 최근의 필요를 충족시키기 위해, 다양한 분광 원리들이 제안 되었으며 그 중에서 퓨리에 변환 분광 기술(FTS)은 원격 탐사 분야에서 광대역 분광을 위한 강력한 분광법으로 현재, 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 이러한 기계적 이송을 통한 일반적인 퓨리에 변환 분광의 경우, 최대 기계적 이송 거리의 한계로 인하여 높은 주파수 분해능 성능의 구현에 한계가 존재한다. 이러한 퓨리에 변환 분광 기술의 한계를 극복하기 위하여, 펨토초 레이저 공진기의 길이를 조절하여 펄스의 반복률을 주사하여 증폭된 최대 주사 거리를 얻을 수 있는 반복률 주사 기반의 퓨리에 변환 분광 기술을 제안한다. 더욱이 이러한 주사 거리의 증폭 효과는 측정 거리가 증가할 수록 비례하여 증기하기 때문에 원격 탐사의 응용에 적합하다고 할 수 있다. 또한 초연속 발진을 통해 광대역 분광이 가능하며 PLL 제어를 통해 기준 주파수에 잠금된 정확한 반복률의 주사가 가능하기 때문에 넓은 주사 영역에서 정밀한 주사 및 데이터의 샘플링이 가능하다. 본 논문은 기존의 다양한 분광기술과 제안된 분광 기술의 장단점을 비교하며, 시뮬레이션을 통해 본 기술의 원리 및 적용 가능성을 살펴보고, 기초 실험을 통해 펨토초 레이저를 적용하여 15 m 의 측정 거리에서 퓨리에 변환 분광을 실시하여 그 원리를 검증하였다. 이때의 주파수 분해능은 9 GHz의 성능을 보이며, 이를 통해 100 GHz의 흡수선을 갖는 광섬유 격자(FBG)의 분광을 성공적으로 수행하였다.