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표제지

목차

초록 10

Abstract 13

제1장 서론 16

제2장 공진기를 이용한 자유공간 자이로스코프 20

2.1. 서론 20

2.2. 사냑 효과(Sagnac effect) 24

2.3. 자유공간 공진기형 자이로스코프 26

2.4. Beam divergence와 Mode matching 43

2.5. Free spectral range 측정 44

2.6. Cavity 안정화를 위한 알고리즘 50

제3장 I/Q-간섭계를 이용한 무게 측정 센서 54

3.1. 서론 54

3.2. 호모다인 I/Q-간섭계 56

3.3. I/Q-간섭계를 이용한 무게 측정 센서 61

3.3. 무게 측정용 간섭계 성능평가 66

3.4. 후방산란을 이용한 무게측정 응용 72

3.4.1. 샘플의 후방산란 72

3.3.2. 후방산란을 이용한 변위 측정 75

제4장 온실가스 측정을 위한 광학센서 78

4.1. 서론 78

4.2. Tunable diode laser spectroscopy (TDLAS) 79

4.3. TDLAS 센서 설계 84

4.4. TDLAS 센서 성능 평가 88

제5장 종합적 고찰 94

참고문헌 99

그림목차

Figure 2.1. 자이로스코프 민감도 및 응용 22

Figure 2.2. 링 레이저 자이로스코프의 불감응 대역(Dead zone) 23

Figure 2.3. 시계 방향과 반시계 방향으로 회전하는 빛의 광 경로차 25

Figure 2.4. 공진기형 자유공간 자이로스코프 장치구성도 26

Figure 2.5. CW 방향으로 진행하는 빛의 편광 29

Figure 2.6. CCW 방향으로 진행하는 빛의 편광 29

Figure 2.7. Cavity에 저장된 빛의 세기 31

Figure 2.8. Cavity reflectance 33

Figure 2.9. coupling mirror의 Reflection intensity 33

Figure 2.10. σ에 따른 Phase enhancement factor 36

Figure 2.11. σ에 따른 최적의 신호 대 잡음비 39

Figure 2.12. PBS loss를 활용한 balanced detection 42

Figure 2.13. cavity의 Mode matching 구성도 44

Figure 2.14. Free spectral range(FSR) 측정 결과 45

Figure 2.15. FSR 결과의 CMMR 46

Figure 2.16. TEM00 모드의 세기 분포[이미지참조] 48

Figure 2.17. TEM01 모드의 세기 분포[이미지참조] 48

Figure 2.18. Coupling mirror에서 Balanced detection 신호 49

Figure 2.19. PBS loss에서 Balanced detection 신호 49

Figure 2.20. error 신호를 이용한 공진기 안정화 구성도 51

Figure 2.21. 공진기 안정화를 위한 PID 알고리즘 53

Figure 3.1. 무게 측정용 Loadcell 55

Figure 3.2. Balanced detection 57

Figure 3.3. 광 검출기의 간섭신호 60

Figure 3.4. 무게 측정용 I/Q-간섭계 구성도 61

Figure 3.5. 호모다인 I/Q Demodulator 구성도 62

Figure 3.6. 스프링이 부착된 I/Q-간섭계의 FFT Spectrum 66

Figure 3.7. 위상 안정도 결과 67

Figure 3.8. LPF 후 위상 안정도 결과 67

Figure 3.9. 스프링이 부착된 무게 측정 검지부 68

Figure 3.10. 2g 분동 측정 결과 69

Figure 3.11. 10g 분동 측정 결과 70

Figure 3.12. 50g 분동 측정 결과 70

Figure 3.13. 무게와 용수철 변위 선형성 측정 결과 71

Figure 3.14. 50g 분동 측정의 진폭 결과 74

Figure 3.15. 샘플의 후방산란 측정을 위한 간섭계 구성도 74

Figure 3.16. PZT를 이용한 변위 생성 및 측정 결과 76

Figure 3.17. I와 Q 신호 결과 76

Figure 3.18. FFT spectrum에서 PZT 변조 신호 77

Figure 4.1. Tunable diode laser spectroscopy 센서 구성도 79

Figure 4.2. CO₂의 흡수선 81

Figure 4.3. CH₄의 흡수선 81

Figure 4.4. 광원의 파장 변조 83

Figure 4.5. 가스 셀 구성용 거울(herriot mirror) 84

Figure 4.6. 가스 셀 내에서 진행하는 빛의 유효 광학거리 85

Figure 4.7. 가스 셀의 실물 모습 86

Figure 4.8. 가스 셀의 거울에 맺힌 빔 패턴 86

Figure 4.9. TDLAS 센서 구성 87

Figure 4.10. 1f Demodulation signal of CO₂ 90

Figure 4.11. 2f Demodulation signal of CO₂ 90

Figure 4.12. 2f Demodulation signal of CH₄ 91

Figure 4.13. CO₂ 1000ppm의 FFT Spectrum 93

Figure 4.14. CH₄ 1000ppm의 FFT Spectrum 93

초록보기

본 논문에서는 다양한 광학식 센서 개발에 대한 연구를 하였다. 각속도 측정을 위한 공진기형 사냑 간섭계 기초 연구를 수행하였으며, 기준 빛과 신호 빛의 균형이 잘 맞은 호모다인 I/Q 간섭계를 이용하여 높은 민감도를 가지는 무게 측정 센서를 개발하였다. 또한 주요 온실가스인 이산화탄소와 메탄에 대하여 근적외선 영역에서의 고유한 진동-회전 상음(overtone) 흡수특성을 이용한 온실 가스 측정 시스템을 구성하였다.

자이로스코프에 대한 연구에서는 편광조작기술을 적용한 자유공간 공진기를 이용한 새로운 사냑 간섭계를 개발하였다. 좌원형 편광과 우원형 편광을 기본 모드로 입력되어 편광조작에 의해 공진기 내에서 각각 시계 및 반시계방향으로 진행하며, 고리 경로에서는 각각의 모드가 같은 선형 편광을 가지기 때문에 외부 환경에 대해 덜 민감한 장점을 가지고 있으며 공진기의 finesse 와 위상 증강 계수의 곱에 비례하여 높은 위상 증폭효과를 얻을 수 있다. 이론적으로 측정 가능한 최소 각속도는 Ωmin＝(25/A)nrad/s·√Hz·mW 임을 확인하였다. 실험에 사용한 사냑 간섭계의 공진기는 반사율이 95%이고 곡률반경이 300㎜ 인 입력 거울과 반사율이 99.5%인 세개의 평면거울로 이루어져 있으며 사냑 공진기 길이는 48㎝ 이다. 이 공진기의 finesse 는 이론적으로 약 68이며 각속도 변화에 따른 위상을 증폭시키는 효과를 얻을 수 있다. 실험적으로 측정한 finesse 는 약 32이며 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 빛은 서로 독립적으로 진행함을 확인하였다.

I/Q-간섭계는 기존의 간섭계가 가지는 되먹임 제어가 필요 없고 위상과 진폭을 독립적으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 이 장점들을 이용하여 용수철과 결합한 정밀 저울 개발 연구를 수행하였다. 기존 저울 개발 연구에서는 로드셀을 사용하였으나 로드셀은 수직 변위를 생성하기 위해 복잡한 설계가 필요한 단점이 있다. 본 연구에서는 간편하게 구할 수 있는 용수철을 활용하여 무게 측정 센서를 구성하였다. I/Q-간섭계를 이용한 무게측정 센서는 1㎜ 변화에 대해 약 107의 분해능을 달성하였다.

온실 가스 측정 시스템에서는 주파수가 측정대상 가스 흡수선의 중간주파수에 대하여 105Hz 로 변조된 반도체 레이저를 광원으로 사용하였으며, 주파수 변조된 빛이 온실 가스가 들어있는 가스 셀을 통과하게 되면 투과된 광신호가 변조 주파수의 2배로 변조돼서 나오게 된다. 한 쌍의 헤리옷(herriot) 거울을 이용하여 가스 쎌을 제작하였으며 다중반사에 의한 유효광학 거리를 28배 늘릴 수 있었다. 제작된 온실 가스 측정 시스템의 신호대 잡음비는 CO₂ 1000ppm 에 대해 약 26dB 이며, 따라서 이를 이용하여 측정할 수 있는 CO₂의 최소농도는 2ppm 이다. CH₄ 1000ppm 의 경우에는 약 35dB 의 신호 대 잡음비를 달성하였으며, 측정 가능한 최소 농도는 0.3ppm 이다.

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