초정밀 간섭식 센서와 그 응용 : 자이로스코프, 무게 센서, 가스 센서
High sensitivity interferometric sensor schemes and applications to gyroscope, weight sensor and gas sensor
- 주제(키워드) 편광조작기술 , 자유공간 공진기 , 사냑 간섭계 , I/Q-간섭계 , 무게 측정 , 온실가스 , 헤리옷 거울 , polarization manipulation technology , free-space resonator , sagnac interferometer , I/Q-interferometer , weight measurement , greenhouse gas , herriot mirror
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- UCI I804:11029-000000065506
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
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 반시계 방향으로 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 Ω_"min" ≈(25/A)n"rad"/s∙√("Hz" ∙mW) 임을 확인하였다. 실험에 사용한 사냑 간섭계의 공진기는 반사율이 95%이고 곡률반경이 300mm인 입력 거울과 반사율이 99.5%인 세개의 평면거울로 이루어져 있으며 사냑 공진기 길이는 48cm이다. 이 공진기의finesse는 이론적으로 약 68이며 각속도 변화에 따른 위상을 증폭시키는 효과를 얻을 수 있다. 실험적으로 측정한 finesse는 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 무게 측정 센서는 1mm 변화에 대해 약 〖10〗^7의 분해능을 달성하였다. 온실 가스 측정 시스템에서는 주파수가 측정대상 가스 흡수선의 중간주파수에 대하여 105Hz로 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 신호 대 잡음비는 CO_2 1000ppm에 대해 약 26dB이며, 따라서 이를 이용하여 측정할 수 있는 CO_2의 최소농도는 2ppm이다. CH_4 1000ppm의 경우에는 약 35dB의 신호 대 잡음비를 달성하였으며, 측정 가능한 최소 농도는 0.3ppm이다.
more초록/요약
In this thesis, results on experimental and theoretical studies of various high sensitivity optical sensors are presented; As coherent sensors a new free-space resonant sagnac interferometer for a precision angular velocity measurement and a new balanced path I/Q-interferometer scheme for a high resolution weighing scale have been developed. As an incoherent sensor, sensor which can simultaneously measure two major greenhouse gases, CO_2 and CH_4, by using their unique characteristics of the overtone vibration-rotation absorption spectra in the near-infrared region In the study of Sagnac interferometer, a new free-space resonator scheme with polarization manipulation technology was developed. the left hand circular polarization and the righthand circular polarization are the normal modes running clockwise (CW) and counter clockwise (CCW) direction in the resonator, respectively. In the ring path each mode has the same linear polarization, and, as a result, becomes susceptible to the environmental perturbations. The phase difference between the lights running in the CW and CCW direction are amplified by multi-passes in the resonator which is proportional to the product of the finesse of the resonator and the phase enhancement factor. In theory, the minimum angular velocity which can be measured by using the proposed Sagnac interferometer is Ω_"min" ≈(25/A)n"rad"/s∙√("Hz" ∙mW). The resonator of Sagnac interferometer used in the experiment consisted of an input coupling mirror with a 300mm radius of curvature and 95% reflectance and three flat mirrors with a 99.5% reflectance. The resonator length is 48cm. The finesse of resonator is theoretically about 68 from which the corresponding phase difference amplification can be obtained. The I/Q-interferometer does not require feedback control of pathlength difference between the reference and probe beam for maintaining optimum sensitivity and enables measuring phase and amplitude independently. Using these advantages, research for developing precision weight sensor combined with a spring was conducted. Load cells are commonly used as a transducer for weight measurements but sensitivity, linearity, and dynamic range are limited by a complex design for generating a vertical displacement in the presence of an applied load. In this study, a weight measuring sensor was constructed by using a commercially available wire spring as the transducer in weight sensing. The weighing sensor using an I/Q-interferometer achieved a resolution 〖10〗^(-7). In the greenhouse gas measurement system, a semiconductor laser for which the lasing frequency is tuned to the center wavelength of the specific absorption line of the corresponding gas is used for the light source. The lasing frequency is dithered by applying a 105Hz sinusoidal injection current and the absorption of light by the gas is determined by measuring the second harmonic component of the transmitted light signal through a gas cell containing greenhouse gas. The gas cell was manufactured using a pair of Herriot mirrors, and the effective optical length is increased by 28 times multiple reflections between the mirrors. The greenhouse gas measurement system is has approximated 26 dB signal to noise ratio for 1000 ppm of CO_2 and 35 dB for 1000 ppm CH_4. The corresponding minimum concentrations that can be measured with the proposed senso scheme is ~2 ppm and 0.3 ppm, respectively.
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