본 연구는 성층권 에어로졸의 분포와 광학적 특성을 분석하기 위하여 새로이 개발된 광주과학기술원의 라이다 시스템에 대하여 설명하고자 한다. 성층권 에어로졸의 후방산란비 산출을 위해 Nd:YAG 레이저를 광원으로 1064 nm와 532 nm 두 파장의 탄성산란 채널을 개발하였고, 편광소멸도 분석을 위해 532 nm 파장에 두 개의 편광 채널을 설치하였다. 광자계수방식과 아날로그 디지털 변환 두가지 방식을 동시에 채택하여 후방산란신호 수신 효율과 최대 관측 고도를 향상시켰다. 개발된 라이다 시스템을 이용하여 2011년 9월 22일에 한반도 상공 성층권 에어로졸관측 분석하여 예시하였다. 라이다 관측 자료 분석을 통해 532 nm 파장에서 성층권 에어로졸의 후방산란비를 산출을 통해 에어로졸의 시공간적 분포를 확인하고, 체적편광소멸도와 입자편광소멸도 산출을 통해 하고 입자의 비구형성을 판단하였다.
유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울(SBS-PCM)을 이용한 Nd:YAG 레이저 발진기를 구성하고 특성을 조사하였다. SBS-PCM은 SBS-cell과 렌즈계의 조합으로 구성되어 있다. Q-switcher를 사용하지 않은 경우, SBS-cell이 SBS-PCM으로 작용하지 않은 것을 확인하였고, Cr:YAG(T=50%) Q-switcher가 사용된 경우는 SBS-cell이 SBS-PCM으로 작용하였다. 이 경우 에너지 출력특성은 SBS-PCM의 유무에 관계엾이 차이가 없으나, 출력의 빔프로파일은 크게 향상되었다. 이를 설명하기 위해 초평면에서의 세기에 따른 반사율차이를 이용한 간단한 공간주파수 여과모형을 제시하고 시뮬레이션 하였다.
초크랄스키 실리콘 기판의 뒷면에 형성된 기계적 손상이 미치는 효과에 대하여 고찰하였다. 기계적 손상의 정도는 레이저 여기/극초단파 반사 광전도 감쇠법에 의한 소수반송자 재결합 수명, X-선 단면 측정 및 습식 산화/선택적 식긱 방법으로 평가하였다. 그 결과, 웨이퍼 뒷면에 가해지는 기계적 손상의 세기가 강할수록 소수반송자 재결합 수명은 짧아지고, 산만 산란 정도와 X-선 과잉 강도의 적분값은 비례적으로 증가하였으며, 그 값을 Grade 1의 손상된 웨이퍼에서의 과잉 강도로 정규화하면 과잉 강도의 상대 정량비는 Geade 1:Grade 2:Grade 3 = 1:7:18.4이다.
유도 브릴루앙 반사광을 고출력 레이저에 응용할 때 요구되는 반사광 특성이 실험적으로 조사되었다. 집속 렌즈의 초점거리에 따른 유도 브릴루앙 반사광의 peak power 반사율과 위상공액도가 측정되었다. 또한 반사광 가운데 펄스압축된 부분만의 위상공액도가 측정되었다. 초점거리가 긴 경우(f=100cm) 반사광의 peak power가 입사광의 약 2배에 이르렀다. 이때 반사광 중에서 압축된 선두펄스만의 위상공액도는 약 90%로 다른 시간의 펄스보다 위상공액도가 우수했다. 공간적으로는 유도 브릴루앙 이득이 가장 큰 광축부분의 바사관이 최대의 펄스압축, peak power 반사율, 위상공액도를 보여서 유도 브릴루앙 산란을 응용할 때 가장 유용한 부분으로 확인되었다.
높은 수치구경의 대물렌즈를 사용하는 간섭성 반스톡스 라만 산란 현미경(coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy)에서 폴리스틸렌구에서 발생한 신호의 먼거리장 방사패턴에 대한 이론적 계산 연구를 수행하였다. 극초점 조건에서 입사 레이저 광의 전기장 분포를 계산하였고, CARS 신호 생성원인인 비선형 분극(헤르치안 쌍극자) 방사의 간섭성 합을 통하여 먼거리장 방사 패턴을 계산하였다. 폴리스틸렌구의 크기에 따른 후방 방사패턴을 계산하였고, 1100 nm 직경을 가진 폴리스틸렌구와 폴리스틸렌 구껍질의 방사패턴을 비교하였다. 또한, 극초점으로부터 폴리스틸렌구의 중심이 이동함에 따른 방사패턴의 변화를 보였다.
To investigate only the effects of the stratified mixture distribution on initial flame propagation and combustion characteristics, the instantaneous equivalence ratio in the spark plug gap and combustion pressure were measured simultaneously In a constant volume chamber, To induce the stratified propane-air mixture distribution near the spark plug, counter-flow typed mixture injection system was used under the constant mean equivalence ratio $\Phi$$\_$mean/= 1.0 The instantaneous equivalence ratio was measured by a single-shot Raman scattering with narrow-band KrF excimer laser. The measuring error was within the limit of $\pm$ 3.5% provided that the proposed method was applied to the measured Raman signals. Judging from mass fraction burned derived from the measured pressure, the optimum combustion characteristics were shown under the condition that the local equivalence ratio in the spark plug was near 1.28$\pm$0.04, and these characteristics were more remarkable at the initial stage of combustion.
광섬유 내 브릴루앙 산란의 이득 스펙트럼을 측정하는 새로운 방법을 제안하고 실험하였다. 기존의 측정 방식과는 달리, 주입전류를 직접 변조하여 광주파수 변조된 하나의 레이저 다이오드로부터 펌프광과 프로브광을 발생시키고, 주입전류를 사각파로 변조할 때 나타나는 광주파수 처핑을 이용하여 펌프/프로브간 광주파수 차이를 연속적으로 변화시키는 방법으로 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정하였다. 통신용 단일모드 광섬유의 브릴루앙 이득 스펙트럼을 측정하여 기존 문헌의 결과와 거의 일치하는 결과를 얻었다.
직접 광주파수 변조된 레이저 다이오드를 광원으로 이용하여 공간 선택적 브릴루앙 산란 방식으로 분포형 광섬유 센서를 구성하여 실험하였다. 광주파수가 정현파로 변조된 펌프와 프로브 빛이 광섬유 내로 서로 반대 방향으로 진행하며 중첩되도록 함으로써 광섬유 내 특정 지점에서만 유도 브릴루앙 산란이 발생하도록 하였으며, 변조 주파수를 변화시켜 브릴루앙 이득 피크의 위치를 조절할 수 있었다. 브릴루앙 천이 주파수가 서로 다른 광섬유를 접속한 경우와 광섬유 길이를 따라 온도 분포가 존재하는 경우에 대해 각각 브릴루앙 천이 주파수의 분포를 측정하였다. 브릴루앙 천이 주파수의 온도 변화율은 $1.33MHz/^{\circ}C$로 측정되었다.
디스플레이 및 반도체 산업이 발전함에 따라 회로의 선폭이 점차 줄어들고 있으며, 이에 따라서 대표적인 오염원이 되는 오염입자의 임계 직경(critical diameter) 또한 작아지고 있다. 현재 반도체 및 디스플레이 산업에서 사용되는 측정방법은 레이저를 이용하여 공정 후 표면에 남아 있는 오염입자를 측정하는 ex-situ 방법이 주를 이루고 있다. Ex-situ 방법을 이용한 오염입자의 제어는 웨이퍼 전체를 측정할 수 없을 뿐만 아니라 실시간 측정이 불가능하기 때문에 공정 모니터링 장비로 사용이 어려우며 오염입자와 공정 간의 상관관계 파악에도 많은 제약이 따르게 된다. 이에 따라 저압에서 in-situ 방법을 이용한 실시간 오염입자 측정 기술 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 저압 환경에서 실시간으로 입자를 모니터링 할 수 있는 장비를 입자의 광산란 원리를 이용하여 개발하였다. 빛이 입자에 조사되면 크게 산란 및 흡수현상이 일어나게 되는데, 이 때 발생하는 산란광은 입자의 크기와 관계가 있으며 Mie 이론으로 널리 알려져 있다. 현재 이를 이용한 연구가 국내 및 국외에서 진행되고 있다. 수 백 nm 대의 입자를 측정하기 위해서는 빛의 강도가일정 수준 이상 되어야 하며, 이를 측정할 수 있는 수신부의 감도 또한 중요하다. 본 연구에서는 빛의 직경을 100 um 이하까지 집속할 수 있는 광학계를 상용 프로그램을 이용하여 설계하였으며, 강도가 약한 산란광 측정을 위하여 노이즈 제거 필터링 기술 등이 적용된 수신부 센서를 개발하여 전체 시스템에 적용하였다. 교정은 상압과 저압에서 수행 하였으며 약 5%의 측정효율로 최소 300 nm 이하의 입자까지 측정이 가능함을 확인 하였다. 또한, 타사의 실시간 입자 측정 센서와의 비교 실험을 통하여 성능평가를 수행하였다. 기존 광산란 방식 센서보다 높은 성능의 센서를 개발하기 위하여 추후 연구를 진행할 계획이며, 약 200 nm 이하의 입자까지 측정이 가능할 것으로 기대된다.
집중호우는 사면의 붕괴와 사회 기반시설물의 파괴 등을 포함하는 다수의 재해를 유발한다. 이러한 관점에서 강우재현 원심모형실험은 지반구조물의 안정성을 평가하기 위한 합리적인 수단이 될 수 있다. 원심모형실험에서 모형의 변위를 취득하기 위하여 일반적으로 LVDT 또는 레이저 변위계가 사용된다. 그러나 강우모사 시 LVDT는 모형지반으로의 과다 침윤의 문제가 있으며, 레이저 변위계는 레이저의 산란에 의해 계측치의 정확성이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 강우재현 원심모형실험에 적용하기 위한 수평변위 계측장치를 개발하였다. 본 연구를 통하여 탄성의 박철판과 스트레인 게이지를 이용하여 제작된 본 장치는 관입을 위한 말단부를 고정시켜 수행한 검정 결과로부터 정확한 변위-변형률 관계를 나타냄을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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