KR101039627B1 - Diffraction-grating spectrometer - Google Patents

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KR101039627B1
KR101039627B1 KR1020110001091A KR20110001091A KR101039627B1 KR 101039627 B1 KR101039627 B1 KR 101039627B1 KR 1020110001091 A KR1020110001091 A KR 1020110001091A KR 20110001091 A KR20110001091 A KR 20110001091A KR 101039627 B1 KR101039627 B1 KR 101039627B1
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이은성
이재용
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한국표준과학연구원
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Abstract

PURPOSE: A diffraction grating spectrometer is provided to improve resolving power even if a diffraction grating with a small size is used by expanding diffracted light using an intensity division/wavefront recombination unit. CONSTITUTION: A diffraction grating spectrometer comprises an intensity division/wavefront recombination unit(3). The intensity division/wavefront recombination unit comprises a semitransparent mirror(31) and a total reflection mirror(32). The semitransparent mirror reflects a part of a beam diffracted by a diffraction grating(2) and penetrates the other part of the beam. The total reflection mirror locates the wavefront of the reflected beam at the same phase as the wavefront of the penetrated beam. The total reflection mirror re-combines the wavefronts of the reflected and penetrated beam and expands the re-combined wavefront of the beam.

Description

회절격자 분광기{Diffraction-Grating Spectrometer}Diffraction-Grating Spectrometer

본 발명은 회절격자 분광기에 관한 것으로써, 상세하게는 격자선 개수가 작고, 격자밀도가 작은 회절격자를 사용하여도 높은 분광분해능을 얻을 수 있는 회절격자 분광기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diffraction grating spectrometer, and more particularly, to a diffraction grating spectrometer capable of obtaining high spectral resolution even when using a diffraction grating having a small number of grating lines and a small grating density.

특히, 반투명거울과 전반사거울로 구성되는 세기분할/파면재결합부를 이용하여 소형 회절격자로부터 회절된 빔을 세기분할 및 파면재결합에 의해 확장시켜 대형 회절격자를 사용하였을 때와 동일한 분광분해능을 얻을 수 있게 함으로써 장치 크기를 축소시킬 수 있는 회절격자 분광기에 관한 것이다.
In particular, by using the intensity division / wave recombination unit composed of a semi-transparent mirror and a total reflection mirror, the beam diffracted from the small diffraction grating can be expanded by intensity division and wave recombination to obtain the same spectral resolution as when using a large diffraction grating. The present invention relates to a diffraction grating spectrometer capable of reducing the size of a device.

분광기는 물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 장치로서, 간섭분광기, 프리즘분광기 및 격자분광기가 있다. A spectrometer is a device for measuring the spectrum of light emitted or absorbed by a substance, and includes an interferometer, a prism spectrometer, and a grating spectrometer.

격자분광기는 회절격자를 사용한 분광기로서, 회절격자는 여러 파장이 섞여있는 빛을 분산시키는 것으로써, 분자진동모드를 분석할 수 있는 라만산란연구, 생물시료나 화학시료에서 발생한 형광에 대한 스펙트럼 측정, 포토닉 디바이스에 대한 광스펙트럼 분석 등에 사용되고 있으며, 최근에는 상기 회절격자를 초단레이저펄스의 조작에도 응용되어 사용하고 있다. A grating spectrometer is a spectrometer using a diffraction grating. A diffraction grating disperses light mixed with various wavelengths, and thus, a Raman scattering study capable of analyzing molecular vibration modes, a spectral measurement of fluorescence generated from a biological sample or a chemical sample, It has been used for optical spectrum analysis of photonic devices, and recently, the diffraction grating has been applied to ultrashort laser pulses.

이러한 분광기의 일예를 도 1에 도시하였다. 도시한 바와 같이 종래의 분광기는 광원으로부터 조사된 빛을 거울(100)로 반사시키고, 반사된 빛은 회절격자(200)에 의해 회절된 후 거울(300)을 통해 검출수단(400)으로 반사시켜 검출이 이루어지게 한다. An example of such a spectrometer is shown in FIG. As shown in the drawing, a conventional spectrometer reflects light emitted from a light source to the mirror 100, and the reflected light is diffracted by the diffraction grating 200 and then reflected by the mirror 300 to the detection means 400. Allow detection to occur.

이러한 종래의 분광기의 성능은 분광분해능에 의해서 결정되는데, 이 분해능은 입사빔에 의해서 쪼여진 격자선의 개수에 의해서 결정된다. 즉, 이 격자선 개수를 증가시킬 수 있도록 회절격자가 커야 분광분해능이 커지는 것이다.The performance of such a conventional spectrometer is determined by the spectral resolution, which is determined by the number of grating lines split by the incident beam. In other words, the diffraction grating must be large to increase the spectral resolution so that the number of grating lines can be increased.

상기 분해능을 높이는 방법으로는 회절격자의 크기를 증가시켜 격자선 수를 증가하거나, 격자밀도를 높이는 방법이 있다. 후자 방법인 격자밀도를 높이는 것은 고도의 정밀기술이 필요로 하고 회절격자의 크기가 커짐에 따라 제조비용도 기하급수적으로 증가하게 되는 단점이 있으므로, 전자 방법인 회절격자를 키우는 방법을 이용하여 분광분해능을 향상시키고 있다. The resolution may be increased by increasing the size of the diffraction grating to increase the number of grid lines or to increase the grid density. Increasing the lattice density, which is the latter method, requires high-precision technology and the manufacturing cost also increases exponentially as the size of the diffraction grating increases. Is improving.

그러나 상기 회절격자를 키우는 방법도 도 1에 도시한 바와 같이 회절격자가 차지하는 공간이 많아져 분광기 전체 크기가 커지는 단점을 내재하고 있다.
However, the method of growing the diffraction grating also has a disadvantage in that the space occupied by the diffraction grating becomes larger as shown in FIG. 1.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 작은 회절면적을 갖는 회절격자에 의해 회절된 빔을 다단으로 구성되는 세기분할/파면재결합부를 통해 입사되는 빔을 세기분할하고 분할된 빔을 파면재결합하여 확장시켜 분광분해능을 높일 수 있게 하는 등 작은 크기의 회절격자를 사용해도 분해능의 성능을 향상시킬 수 있는 회절격자 분광기의 제공을 목적으로 한다.
The present invention has been developed to solve the problems of the prior art as described above, and intensity-dividing the beam incident through the intensity division / wavefront recombination unit consisting of a multi-stage beam diffracted by a diffraction grating having a small diffraction area It is an object of the present invention to provide a diffraction grating spectrometer that can improve the resolution performance even by using a small diffraction grating such as expanding the split beam by wavefront recombination to increase the spectral resolution.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 The present invention for achieving the above object

광원으로부터 조사된 빔을 회절격자로 회절시켜 분석/검출수단으로 입사시키는 회절격자 분광기에 있어서, 상기 회절격자에 의해 회절된 빔 세기를 분할하여 일부는 반사시키고 나머지는 투과시키는 반투명거울과; 상기 반투명거울에 의해 반사된 빔의 파면을 반투명거울을 투과한 빔의 파면과 동일위상에 위치시키되 상기 두 파면의 대향된 측면은 서로 맞닿도록 하나의 파면으로 재결합하여 파면을 확장하는 전반사거울;로 구성된 세기분할/파면재결합부가 설치된 것을 특징으로 한다.
A diffraction grating spectrometer which diffracts a beam irradiated from a light source with a diffraction grating and enters the analysis / detecting means, the diffraction grating spectrometer comprising: a semi-transparent mirror for dividing part of the beam intensity diffracted by the diffraction grating and reflecting a part thereof; A total reflection mirror which extends the wavefront by recombining the wavefront of the beam reflected by the semi-transparent mirror with the wavefront of the beam transmitted through the translucent mirror, but recombining the opposite sides of the two wavefronts into a single wavefront; Characterized in that the intensity division / wavefront recombination unit configured.

본 발명은 단독 또는 다단으로 설치된 세기분할/파면재결합부에 의해 회절격자에서 회절된 광을 확장함으로서 작은크기의 회절격자를 사용해도 큰 회절격자를 사용한 분광기와 동일한 분해능을 제공할 수 있으며, 분광기 전체크기도 축소시킬 수 있는 효과가 있다.
The present invention can provide the same resolution as that of a spectrometer using a large diffraction grating even by using a small diffraction grating by expanding light diffracted in the diffraction grating by an intensity division / wave recombination unit installed alone or in multiple stages. It can also be reduced in size.

도 1은 종래의 회절격자 분광기의 일예의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 회절격자 분광기의 구성도이고,
도 3은 반투명거울을 이용한 분광기의 원리를 설명하기 위한 그래프이고,
도 4는 거울의 수에 따른 빛의 경로를 도시한 그래프이고,
도 5는 거울과 회절격자의 배치상태에 따른 위상부정합 관계를 도시한 그래프이고,
도 6은 거울과 회절격자의 배치상태에 따른 분광선의 모양을 도시한 그래프이다.
1 is a configuration diagram of an example of a conventional diffraction grating spectrometer,
2 is a block diagram of a diffraction grating spectrometer according to an embodiment of the present invention,
3 is a graph for explaining the principle of the spectrometer using a semi-transparent mirror,
4 is a graph showing a path of light according to the number of mirrors,
5 is a graph illustrating a phase mismatch relationship according to the arrangement of mirrors and diffraction gratings,
6 is a graph showing the shape of the spectral lines according to the arrangement of the mirror and the diffraction grating.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings are only examples for easily describing the content and scope of the technical idea of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited or changed. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and changes can be made within the scope of the present invention based on these examples.

도 2에 도시된 바와같이 본 발명은 보다 작은 회절격자로 구성하여 전체적인 크기가 작아짐에도 큰 회절격자를 사용할 때와 동일한 분광분해능을 얻을 수 있는 회절격자 분광기에 관한 것으로 회절격자(2)와, 상기 회절격자에서 회절된 빔을 확장하는 세기분할/파면재결합부(3)를 포함하여 구성된다.
As shown in FIG. 2, the present invention relates to a diffraction grating spectrometer which is composed of smaller diffraction gratings and obtains the same spectral resolution as when a large diffraction grating is used even though the overall size is smaller. And an intensity dividing / wavefront recombination section 3 which extends the diffracted beam in the diffraction grating.

상기 회절격자(2)는 입사된 빔을 회절시켜 분석/검출수단(5)으로 출사한다. 이러한 회절격자는 종래의 분광기에 구비된 것과 동일 유사한 것이지만, 종래와 동일한 분광분해능을 갖는 분광기의 경우 종래보다 작은 크기로 구성할 수 있고 이렇게 구성할 수 있는 이유는 상기 세기분할/파면재결합부(3)를 이용하여 확장 또는 다단 확장하여 종래와 동일한 분광분해능을 얻을 수 있기 때문이다.
The diffraction grating 2 diffracts the incident beam and exits to the analyzing / detecting means 5. Such a diffraction grating is similar to that provided in a conventional spectrometer, but in the case of a spectrometer having the same spectroscopic resolution as the related art, it can be configured with a smaller size than the conventional one, and the reason for this can be configured as the intensity division / wave recombination unit 3 This is because it is possible to obtain the same spectral resolution as in the prior art by expanding or multistage expanding with ().

상기 세기분할/파면재결합부(3)는 상기 회절격자(2)에 의해 회절된 빔 세기를 분할하여 일부는 반사시키고 나머지는 투과시키는 반투명거울(31)과; 상기 반투명거울에 의해 반사된 빔의 파면을 반투명거울을 투과한 빔의 파면과 겹치지 않게 접하도록 재결합하여 파면을 확장하는 전반사거울(32);로 구성된다. The intensity division / wavefront recombination unit (3) comprises a semi-transparent mirror (31) for dividing part of the beam intensity diffracted by the diffraction grating (2) and reflecting a part of the beam intensity; And a total reflection mirror 32 which extends the wavefront by recombining the wavefront of the beam reflected by the translucent mirror so as not to overlap with the wavefront of the beam transmitted through the translucent mirror.

즉, 상기 세기분할/파면재결합부(3)는 도 4의 a와 b를 참조한 바와같이 반투명거울(31)을 투과한 투과빔과, 상기 반투명거울에서 세기분할되어 반사된 반사빔을 전반사거울(32)에 의해 재반사하여 투과빔과 반사빔이 동일한 방향으로 평행하게 진행되도록 하되, 상기 투과빔의 파면과 반사빔의 파면을 서로 겹치지 않고 접하여 진행되도록 재결합함으로써 빔의 확장이 이루어지도록 한다.
That is, the intensity division / wavefront recombination unit 3 is a total reflection mirror of the transmitted beam transmitted through the semi-transparent mirror 31 and the reflected beam which is intensity-divided and reflected from the semi-transparent mirror as shown in FIGS. Retransmission by 32) allows the transmission beam and the reflection beam to proceed in parallel in the same direction, but recombines the wavefront of the transmission beam and the wavefront of the reflection beam so as to contact each other without overlapping each other so as to expand the beam.

이러한 상기 세기분할/파면재결합부(3)는 다단으로 직렬연결하여 각 단으로 입사된 빔이 세기분할 및 파면재결합에 의해 출사되어 점진적으로 확대가 이루어지도록 할 수 있다. 예컨대 세기분할/파면재결합부의 설치단수만큼 2n배로 빔의 확장이 이루어지는 것이다.
The intensity division / wavefront recombination unit 3 may be serially connected in multiple stages so that beams incident at each stage may be emitted by intensity division and wavefront recombination, thereby gradually expanding. For example, the beam is extended by 2 n times the number of installation stages of the intensity division / wave recombination unit.

아울러 상기 세기분할/파면재결합부(3)를 구성하는 반투명거울(31)과 전반사거울(32)은 각각을 별도로 분리된 유닛화하여 세기분할/파면재결합부 수만큼 반투명거울과 전반사거울이 구비되게 할 수 있다. 이 때 상기 각 반투명거울과 전반사거울은 입사된 빔 전체에 대해 세기분할 또는 전반사가 이루어지도록 점진적으로 큰 폭을 갖게 형성하는 것이 바람직하다. In addition, the semi-transparent mirror 31 and the total reflection mirror 32 constituting the intensity division / wavefront recombination unit 3 are separately united so that the translucent mirror and the total reflection mirror are provided as many as the intensity division / wavefront recombination unit. can do. At this time, it is preferable that each of the semi-transparent mirror and the total reflection mirror is formed to have a progressively large width so that intensity division or total reflection is performed on the entire incident beam.

예컨대 입사되는 빔의 폭이 1이라 가정하면 첫 번째 세기분할/파면재결합부의 반투명거울과 전반사거울은 1 크기 또는 이보다 약간 큰 크기로 형성할 수 있다. 그러나 상기 첫 번째 세기분할/파면재결합부에서 출사되는 빔은 확대되어 2의 폭을 가짐으로 두 번째 세기분할/파면재결합부의 반투명거울과 전반사거울은 2 크기 또는 이보다 약간 큰 크기로 형성해야 하며, 세기분할/파면재결합부의 장착수가 증가 할수록 반투명거울과 전반사거울의 사이즈도 증가된다.
For example, if the width of the incident beam is 1, the semi-transparent mirror and the total reflection mirror of the first intensity division / wave recombination unit may be formed in one size or a bit larger than this. However, the beam emitted from the first intensity division / wave recombination unit is enlarged to have a width of 2, so that the semi-transparent mirror and the total reflection mirror of the second intensity division / wave recombination unit should be formed in 2 or slightly larger sizes. As the number of split / corrugated recombination parts increases, the size of the semi-transparent mirror and the total reflection mirror increases.

또한, 세기분할/파면재결합부(3)를 구성하는 반투명거울(31)과 전반사거울(32)의 다른예로는 도 4의 c를 참조한 바와같이 다수의 세기분할/파면재결합부가 하나의 넓은 면을 갖는 전반사거울(32)을 공통적으로 사용되는 구조로 제공될 수 있다. In addition, as another example of the semi-transparent mirror 31 and the total reflection mirror 32 constituting the intensity division / wavefront recombination unit 3, as shown in c of FIG. The total reflection mirror 32 having a may be provided in a commonly used structure.

여기서 상기 반투명거울은 앞선 실시예와 같이 점진적으로 큰 폭을 갖는 사이즈로 형성하여 입사받는 빔 전체가 세기분할 되도록 한다.
In this case, the translucent mirror is formed in a size having a progressively larger width as in the previous embodiment so that the entire incident beam is divided in intensity.

아울러 상기 회절격자(2)와 반투명거울(31) 사이의 각은 빔 입사각에 따라 세기분할과 파면재결합이 이루어지도록 조절될 수 있다. 상기 조절은 공지된 다양한 미세조절수단을 적용할 수 있으며, 회절격자를 고정으로 하고 반투명거울과 전반사거울을 각각 조절하도록 하거나 회절격자와 반투명거울 및 전반사거울 모두를 조절가능하게 할 수 있다.
In addition, the angle between the diffraction grating 2 and the translucent mirror 31 may be adjusted to perform intensity division and wavefront recombination according to the beam incident angle. The adjustment may be applied to a variety of known fine control means, it is possible to fix the diffraction grating and to adjust the semi-transparent mirror and the total reflection mirror, respectively, or to be able to adjust both the diffraction grating, the semi-transparent mirror and the total reflection mirror.

상기한 바와 같이 광원의 빛을 직접 회절격자(2)에 조사하여 회절시켜 분석 및 검출할 수 있으나, 보다 용이한 분석을 위해 상기 회절격자(2)의 일측에는 광원으로부터 조사된 빔을 상기 회절격자(2)로 반사시키는 제1거울(1)과, 상기 세기분할/파면재결합부(3)에서 출사된 빔을 반사시켜 상기 분석/검출수단(5)으로 보내기 위한 제2거울(4)을 더 설치할 수 있는 등 구조에 따라 다수의 거울을 더 장착하여 사용할 수 있다.
As described above, the light of the light source can be directly irradiated to the diffraction grating 2 to be diffracted and analyzed. However, for easier analysis, one side of the diffraction grating 2 has a beam irradiated from the light source on the diffraction grating. And a second mirror (4) for reflecting the beam emitted from the intensity division / wave recombination unit (3) and reflecting the beam emitted to the analysis / detection means (5). It is possible to install more mirrors according to the structure such as can be installed.

이하, 본 발명의 구성 및 작동 방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation method of the present invention in more detail.

먼저, 본 발명의 장치에서 세기분할/파면재결합부(3)에 의해 빛을 반사 및 투과시켜 분광하는 과정을 설명한다. First, a process of reflecting and transmitting light by the intensity division / wave recombination unit 3 in the apparatus of the present invention will be described.

도 3에 도시한 바와 같이, 회절격자(2)의 위아래에서 평면파

Figure 112011000853035-pat00001
는 다음과 같은 형태를 갖는다. As shown in Fig. 3, plane waves above and below the diffraction grating 2
Figure 112011000853035-pat00001
Has the form

Figure 112011000853035-pat00002
(1)
Figure 112011000853035-pat00002
(One)

Figure 112011000853035-pat00003
(2)
Figure 112011000853035-pat00003
(2)

여기서

Figure 112011000853035-pat00004
는 입사빔의 파수벡터이고,
Figure 112011000853035-pat00005
은 m차 회절된 빔(field)의 파수벡터이다. 그리고,
Figure 112011000853035-pat00006
이다. 만일 위치이동연산자(translation operator)
Figure 112011000853035-pat00007
를 각 빔에 가하면
Figure 112011000853035-pat00008
는
Figure 112011000853035-pat00009
,
Figure 112011000853035-pat00010
는
Figure 112011000853035-pat00011
로 변환된다. 여기서
Figure 112011000853035-pat00012
는 이동벡터이다. here
Figure 112011000853035-pat00004
Is the wave vector of the incident beam,
Figure 112011000853035-pat00005
Is the wave vector of the m-th order diffracted field. And,
Figure 112011000853035-pat00006
to be. If translation operator
Figure 112011000853035-pat00007
To each beam
Figure 112011000853035-pat00008
Is
Figure 112011000853035-pat00009
,
Figure 112011000853035-pat00010
Is
Figure 112011000853035-pat00011
Is converted to. here
Figure 112011000853035-pat00012
Is the move vector.

도 3에서 보듯이 두 개의 거울(M1, M2)(하늘색으로 도시)을 회절격자(2) 면의 위에 설치하고, 회절된 빔이 두 번 반사하게 된다. 이렇게 반사된 빔은 결국 A에서 A'(분홍색 화살표로 표시된) 벡터방향으로 공간적으로

Figure 112011000853035-pat00013
만큼 이동한 빔이 된다. 이동 전 빔과 이동된 빔의 위상이 동일하게 되는 조건은 아래의 수식으로부터 찾을 수 있다. As shown in Fig. 3, two mirrors M1 and M2 (shown in light blue) are placed on the surface of the diffraction grating 2, and the diffracted beam is reflected twice. This reflected beam eventually spatially moves from A to A '(indicated by a pink arrow) vector
Figure 112011000853035-pat00013
The beam moved by. The condition that the phase of the beam before the movement and the moved beam are the same can be found from the following equation.

Figure 112011000853035-pat00014
(3)
Figure 112011000853035-pat00014
(3)

여기서

Figure 112011000853035-pat00015
는 m차 회절각이고, d는 거울 사이의 간격이다.
Figure 112011000853035-pat00016
는 거울쌍이 기울어진 각도이다. 위 관계식과 동시에 각 빔은 회절격자식
Figure 112011000853035-pat00017
를 만족해야 한다. 여기서 b는 격자주기이고,
Figure 112011000853035-pat00018
는 입사각이다. 삼각함수 관계식
Figure 112011000853035-pat00019
를 이용하면 식(3)은
Figure 112011000853035-pat00020
로 표현된다. here
Figure 112011000853035-pat00015
Is the mth diffraction angle and d is the distance between the mirrors.
Figure 112011000853035-pat00016
Is the angle of inclination of the mirror pair. At the same time as above, each beam has a diffraction grating
Figure 112011000853035-pat00017
Must be satisfied. Where b is the lattice period,
Figure 112011000853035-pat00018
Is the angle of incidence. Trigonometric Relations
Figure 112011000853035-pat00019
Using Equation (3)
Figure 112011000853035-pat00020
It is expressed as

회절격자식과 비교하면 결과적으로

Figure 112011000853035-pat00021
,
Figure 112011000853035-pat00022
, 2dm=nb 가 된다. Compared with the diffraction grating
Figure 112011000853035-pat00021
,
Figure 112011000853035-pat00022
, 2dm = nb.

n이 정수이므로 이 결과가 의미하는 바는 모든 회절차수에서 격자주기의 배수만큼 빔이 이동해야함을 의미한다. 직관적으로 생각할 수 있는 결과와 일치한다.Since n is an integer, this means that the beam must move by multiples of the grating period at all diffraction orders. It's consistent with what you can intuitively think about.

이 결과를 적용하기 위한 광학계를 도 2와 같이 구성하였다. 세기분할/파면재결합부(3)를 구성하는 반투명거울(31)과 전반사거울(32) 사이의 간격은 d=nb/2 로 하였고, 반투명거울(31)과 회절격자(2)의 각은 90도로 맞추었다. 여기서 상기 반투명거울(31)은 50% 반사를 함으로, 원래의 회절 빔과 반사되어 이동된 빔이 모두 존재하게 된다. 이 두 빔은 세기와 위상이 같기 때문에 사실상 2배로 조사 범위가 넓어진 하나의 빔이라고 볼 수 있다. The optical system for applying this result was constructed as shown in FIG. The distance between the semi-transparent mirror 31 and the total reflection mirror 32 constituting the intensity division / wavefront recombination unit 3 was d = nb / 2, and the angles of the semi-transparent mirror 31 and the diffraction grating 2 were 90 degrees. Hit back. Here, the translucent mirror 31 reflects 50%, so that both the original diffracted beam and the reflected and moved beam exist. Since these two beams have the same intensity and phase, they can be regarded as one beam that has twice as wide a range of irradiation.

따라서, 도 4의 c에 도시한 바와 세기분할/파면재결합부(3)를 2개 설치하여 하나의 큰면적을 갖는 전반사거울(M2)과 2개의 반투명거울(M1,M3)로 구성되면 본 발명의 회절격자보다 4배 큰 회절격자를 갖는 종래 분광기와 동등하게 되고 이 과정은 끝없이 되풀이 될 수 있다. Therefore, the present invention is composed of a total reflection mirror (M2) and two semi-transparent mirrors (M1, M3) having one large area by installing two intensity division / wavefront recombination parts (3) as shown in FIG. This is equivalent to a conventional spectrometer having a diffraction grating four times larger than the diffraction grating of and this process can be repeated endlessly.

상기에서는 빛이 회절격자(2)에 수직으로 입사한 경우에 대한 설명이었고, 아래에서는 통상적인 경우를 설명한다. In the above, the case where light is incident perpendicularly to the diffraction grating 2 has been described, and in the following, a typical case will be described.

입사빔이 수직이 아닌 경우에는 위의 식(3)은 모든 파장에서 성립하는 식이 될 수 없으므로 특정한 파장

Figure 112011000853035-pat00023
근처의 좁은 영역에서 성립하는 해를 찾아야하며, 이를 위해 식 (3)의 양변을 미분하면 아래의 식을 구할 수 있다. In the case where the incident beam is not perpendicular, Equation (3) above cannot be applied to all wavelengths.
Figure 112011000853035-pat00023
We need to find a solution that is established in a small area nearby. To do this, we can obtain the following equation by differentiating both sides of equation (3).

Figure 112011000853035-pat00024
(4)
Figure 112011000853035-pat00024
(4)

여기서 격자분산은

Figure 112011000853035-pat00025
이고, 이는 다음 식을 유도한다. Where the grid dispersion is
Figure 112011000853035-pat00025
This leads to the following equation.

Figure 112011000853035-pat00026
(5)
Figure 112011000853035-pat00026
(5)

식(3)과 식(5)를 비교하면 아래의 식을 구할 수 있다.Comparing equation (3) with equation (5), the following equation can be obtained.

Figure 112011000853035-pat00027
(6)
Figure 112011000853035-pat00027
(6)

상기의 식(6)을 풀어

Figure 112011000853035-pat00028
를 구한다. Solve the above formula (6)
Figure 112011000853035-pat00028
.

최종적으로 주어진 d와

Figure 112011000853035-pat00029
과 식(5)로부터 n을 얻는다. Finally given d
Figure 112011000853035-pat00029
N is obtained from Eq. (5).

n × 2π 는 원래 회절 빔과 평행 이동된 빔 사이의 위상부정합을 나타낸다. n × 2π represents the phase mismatch between the original diffracted beam and the beam shifted in parallel.

상기 위상부정합을 파장의 함수로 그려보면 분광분해능이 증가할 수 있는 파장영역을 구할 수 있다. 그 일예로 격자밀도 830 lines/mm을 가진 회절격자가 반투명거울-전반사거울 쌍과 수직인 경우는 도 5의 a와 같고, 반투명거울-전반사거울 쌍과 회절격자와 94°로 기울어진 경우는 도 5의 b와 같다. By plotting the phase mismatch as a function of wavelength, one can obtain a wavelength range where spectral resolution can be increased. For example, the case where the diffraction grating having a lattice density of 830 lines / mm is perpendicular to the semi-transparent mirror-to-reflective mirror pair is the same as that of FIG. Is equal to 5 in b.

이때

Figure 112011000853035-pat00030
이고, At this time
Figure 112011000853035-pat00030
ego,

입사각은

Figure 112011000853035-pat00031
이며, m=1, d=3.75mm이다. Incident angle
Figure 112011000853035-pat00031
M = 1, d = 3.75 mm.

따라서, 반투명거울-전반사거울 쌍을 시계방향으로 4° 더 회전시키면 된다. Therefore, the translucent mirror-total reflection mirror pair may be further rotated 4 ° clockwise.

중심파장 773nm 근처의 비교적 넓은

Figure 112011000853035-pat00032
영역에서 위상부정합 값이 0.25×2π 이하이므로 분해능 증가효과를 얻을 수 있는 것이다. Relatively wide near center wavelength of 773 nm
Figure 112011000853035-pat00032
Since the phase mismatch value in the region is 0.25 × 2π or less, an effect of increasing resolution can be obtained.

도 6에는 분광선의 모양을 도시한 것으로서, 도 6의 a는 회절격자만으로 측정된 빛의 분광선 모양이고, 도 6의 b는 세기분할/파면재결합부인 반투명거울-전반사거울 쌍이 회절격자와 수직으로 설치된 경우의 분광선이고, 도 6의 c는 반투명거울-전반사거울 쌍이 회절격자와 94도로 경사진 상태에서의 분광선이다.Figure 6 shows the shape of the spectral line, Figure 6a is a spectral line shape of light measured only by the diffraction grating, b of Figure 6 is a semi-transparent mirror-total reflection mirror pair of the intensity division / wavefront recombination is perpendicular to the diffraction grating 6c is a spectral line when the semi-transparent mirror-total reflection mirror pair is inclined at 94 degrees with the diffraction grating.

도 6의 c에서 볼 수 있듯이 분광선이 주어진 파장영역에서 고르게 좁아져 있는 것을 알 수 있다. 세기분할/파면재결합부인 반투명거울-전반사거울 쌍을 기울이지 않고 수직이 상태를 유지하면 도 5의 a에서처럼 파장변화에 따라 위상부정합이 매우 크게 변하므로 도 6의 b에 보이는 바와 같이 분광선이 일정하지 못하고 심하게 변형된다. 이상의 이론 및 실험결과로부터 입사각이 회절격자면에 수직으로 입사되지 않더라도 하나 이상의 반투명거울-전반사거울 쌍인 세기분할/파면재결합부를 이용한 분광분해능을 증가시킬 수 있음을 알 수 있는 것이다.
As can be seen in Figure 6c it can be seen that the spectral lines are evenly narrowed in a given wavelength range. If the semi-transparent mirror-total reflection mirror pair, which is the intensity division / wave recombination unit, remains vertical without tilting the pair, the phase mismatch is very large according to the wavelength change as shown in a of FIG. 5, so that the spectral line is not constant as shown in b of FIG. It is hard to deform. From the above theoretical and experimental results, it can be seen that even if the incident angle is not perpendicular to the diffraction grating plane, the spectral resolution can be increased by using the intensity division / wave recombination unit, which is one or more semi-transparent mirror-total reflection mirror pairs.

1, 4 : 제1거울, 제2거울
2 : 회절격자
3 : 세기분할/파면재결합부
5 : 분석/검출수단
31 : 반투명거울
32 : 전반사거울1, 4: 1st mirror, 2nd mirror
2: diffraction grating
3: intensity division / wave recombination unit
5: analysis / detection means
31: translucent mirror
32: total reflection mirror

Claims (5)

광원으로부터 조사된 빔을 회절격자로 회절시켜 분석/검출수단으로 입사시키는 회절격자 분광기에 있어서,
상기 회절격자(2)에 의해 회절된 빔의 세기를 분할하여 일부는 반사시키고 나머지는 투과시키는 반투명거울(31)과; 상기 반투명거울에 의해 반사된 빔의 파면을 반투명거울을 투과한 빔의 파면과 동일위상에 위치시키되 상기 두 파면의 대향된 측면은 서로 맞닿도록 하나의 파면으로 재결합하여 파면을 확장하는 전반사거울(32);로 구성된 세기분할/파면재결합부(3)가 설치된 것을 특징으로 하는 회절격자 분광기.In the diffraction grating spectrometer which diffracts a beam irradiated from a light source with a diffraction grating and enters into an analysis / detection means,
A translucent mirror (31) for dividing the intensity of the beam diffracted by the diffraction grating (2) to reflect part of it and transmit the rest; The total reflection mirror 32 extends the wavefront by recombining the wavefront of the beam reflected by the translucent mirror on the same phase as the wavefront of the beam transmitted through the translucent mirror, and recombining the opposite sides of the two wavefronts into a single wavefront. A diffraction grating spectrometer, characterized in that the intensity division / wavefront recombination unit (3) consisting of. 제 1 항에 있어서,
상기 세기분할/파면재결합부(3)는 다단으로 직렬연결하여 각 단으로 입사된 빔이 세기분할 및 파면재결합에 의해 점진적으로 확장되어 출사되도록 한 것을 특징으로 하는 회절격자 분광기.The method of claim 1,
The intensity division / wavefront recombination unit (3) is connected in series in a multi-stage diffraction grating spectrometer, characterized in that the beam incident to each stage is gradually extended by the intensity division and wavefront recombination. 제 2 항에 있어서,
상기 다단으로 이루어진 세기분할/파면재결합부(3)는 반투명거울과 전반사거울을 각각 분리구성하되,
상기 각 반투명거울과 전반사거울은 입사된 빔 전체에 대해 세기분할 또는 전반사가 이루어지도록 점진적으로 큰 폭을 갖게 형성한 것을 특징으로 하는 회절격자 분광기.The method of claim 2,
The intensity division / wavefront recombination unit (3) consisting of the multi-stage separate each of the semi-transparent mirror and the total reflection mirror,
The semi-transparent mirror and the total reflection mirror is a diffraction grating spectrometer, characterized in that formed to have a progressively large width so that the intensity division or total reflection is made for the entire incident beam. 제 2 항에 있어서,
상기 다단으로 이루어진 세기분할/파면재결합부(3)는 각 단에 분리구성되는 다수의 반투명거울과 넓은 면을 갖는 하나의 전반사거울로 구성하되,
상기 각 반투명거울은 입사된 빔 전체에 대해 세기분할이 이루어지도록 점진적으로 큰 폭을 갖게 형성한 것을 특징으로 하는 회절격자 분광기.The method of claim 2,
The multi-stage intensity division / wavefront recombination unit 3 is composed of a plurality of semi-transparent mirrors and a total reflection mirror having a wide surface, which are separated at each stage,
Each translucent mirror has a diffraction grating spectrometer, characterized in that formed to have a progressively large width so that the intensity is split over the entire incident beam. 제 1 항에 있어서,
상기 회절격자(2)와 반투명거울(31) 사이의 각은 빔 입사각에 따라 세기분할과 파면재결합이 이루어지도록 조절되는 것을 특징으로 하는 회절격자 분광기.The method of claim 1,
The angle between the diffraction grating (2) and the semi-transparent mirror (31) is adjusted so that the intensity division and wavefront recombination is made according to the beam incident angle.
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