광학공동 적분 투과 분광법(integrated cavity output spectroscopy, ICOS)은 파장가변 레이저와 광학공동을 이용해 미량기체의 절대 밀도를 고감도로 측정할 수 있는 실시간 흡수 분광계측 기법이다. 이 기법은 압전 소자를 이용해 길이가 변조되는 고 피네스(high finesse) 파브리-페로 공동(Fabry-Perot cavity)을 공명 투과하는 연속파 파장 변조 레이저의 적분 출력으로 부터 공동 내부 시료의 분광 흡수량을 측정하는 원리를 이용한다. 본 연구에서는 764,7nm 파장 근처에서 파장이 변조되는 외부 공진기 반도체 레이저를 광원으로 사용하고, $99.997\%$의 높은 반사율을 갖는 거울로 구성된 파브리-페로 공동을 이용해 파장에 따른 투과 감쇠 신호를 발생시키는 실험 장치를 구성하였다. 산소 기체에 대한 측정 실험을 수행한 결과, 최소 흡수계수 $8.45\times10^{-8}cm^{-1}$에 해당하는 미량기체 밀도를 측정할 수 있는 성능을 얻었다.
분리막을 이용한 산소-18 분리실험에서 분리된 시료의 동위원소 성분비 분석을 위해 다이오드 레이저 흡수분광장치를 구성하였다. 흡수신호의 신호 대 잡음비를 높이기 위해 lock-in증폭기를 사용한 파장변조 분광법을 채택하였다. 레이저의 주파수 변조폭 최적화와 FFT 저역통과 필터링을 통해 다중반사흡수셀에서 발생하는 간섭무늬 잡음을 줄였다. 산소-18에 대한 흡수분광장치의 최대편차는 $\pm$4$\textperthousand$로 측정되었다.
This research developed a measurement technique that can measure the oxygen temperature inside a high temperature furnace. Instead of measuring only changes in frequency components within a small range used in the existing variable laser absorption spectroscopy, laser spectroscopy technology was used to spread out wavelength of the light source passing through the gas Based on a total of 20,000 image data, research was conducted to predict the temperature of a high-temperature furnace using CNN with black and white images in the form of spectral bands by temperature of 25 to 800 degrees. The optimal model was found through Hyper parameter optimization, R2 score is 0.89, and the accuracy of the test data is 88.73%. Based on this research, it is expected that concentration measurement and air-fuel ratio control technology can be applied.
Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) measurement techniques for several gases densities and temperatures have been applied in industrial combustion systems. Accurate measurement of temperature profile is very important, especially in power plants and heating furnaces. So profile fitting and temperature binning methods are new issue for accurate measurement of temperature in laser gas sensing. Temperature binning method is applied in this study for the measurement of temperature profile using tube furnace with three temperature zones. In this study the temperature profiles of tube furnace is accurately measured within 5% error, and this technique is proved to be very promising in the field of temperature profile measurement.
Tsuchikawa, Satoru;Ito, Satomi;Inoue, Kinuyo;Miyamoto, Kumi
한국근적외분광분석학회:학술대회논문집
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한국근적외분광분석학회 2001년도 NIR-2001
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pp.1627-1627
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2001
In this study, a newly constructed optical measurement system, whose main components were a parametric tunable laser and a near infrared photoelectric multiplier, was applied to detection of the information for the inside of Satsuma mandarin using time-of-flight near infrared spectroscopy (TOF-NIRS). The combined effects on the time resolved profile of sample diameter, sugar content, the wavelength of the laser beam, and the detection position of transmitted light were investigated in detail. The samples used were Satsuma mandarin (Citrus unshu $M^{ARC}$.) (location: Wakayama, Japan) having the diameters of 50-84 mm. The sugar content measured by a refractometer varied from 9.9 to 16.3 Brix%. Equator of sample was irradiated vertically with the pulsed laser, and transmitted output power was measured on the restricted position of the equator using the optical fiber cable. The sampling time and the number of averaging the output power were 100 ns and 100 times, respectively. The variation of the attenuance of peak maxima At, the time delay of peak maxima t and the variation of full width at half maximum w were strongly dependent on the detection position and the wavelength of the laser beam. At, t and w increased gradually as the sample diameter increased to be much absorbed and vigorously scattered. On the other hand, each optical parameter had a tendency to increase as the sugar content increased. Such behavior was remarkable when the transmitted light was detected at the side face of a sample. When we apply TOF-NIRS to detection of the information for the inside of fruit with high moisture content like Satsuma mandarin, it is very important to give attention to the difference in the scattered light within tissues and the semi-straightly propagated light. Furthermore, we tried to express the resulting phenomena by using a model samples composed of water, sucrose, and milk. The variation of the time resolved profile is strongly governed by the combination of the light absorption component, scattering medium, and refractive index.
Tsuchikawa, Satoru;Ito, Satomi;Inoue, Kinuyo;Miyamoto, Kumi
한국근적외분광분석학회:학술대회논문집
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한국근적외분광분석학회 2001년도 NIR-2001
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pp.1626-1626
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2001
In this study, a newly constructed optical measurement system, whose main components were a parametric tunable laser and a near infrared photoelectric multiplier, was applied to detection of the information for the inside of Satsuma mandarin using time-of-flight near infrared spectroscopy (TOF-NIRS). The combined effects on the time resolved profile of sample diameter, sugar content, the wavelength of the laser beam, and the detection position of transmitted light were investigated in detail. The samples used were Satsuma mandarin (Citrus unshu $M_{ARC}$.) (location: Wakayama, Japan) having the diameters of 50-84 mm. The sugar content measured by a refractometer varied from 9.9 to 16.3 Brix%. Equator of sample was irradiated vertically with the pulsed laser, and transmitted output power was measured on the restricted position of the equator using the optical fiber cable. The sampling time and the number of averaging the output power were 100 ns and 100 times, respectively. The variation of the attenuance of peak maxima At, the time delay of peak maxima $\Delta$t and the variation of full width at half maximum Δw were strongly dependent on the detection position and the wavelength of the laser beam. At, $\Delta$t and $\Delta$w increased gradually as the sample diameter increased to be much absorbed and vigorously scattered. On the other hand, each optical parameter had a tendency to increase as the sugar content increased. Such behavior was remarkable when the transmitted light was detected at the side face of a sample. When we apply TOF-NIRS to detection of the information for the inside of fruit with high moisture content like Satsuma mandarin, it is very important to give attention to the difference in the scattered light within tissues and the semi-straightly propagated light. Furthermore, we tried to express the resulting phenomena by using a model samples composed of water, sucrose, and milk. The variation of the time resolved profile is strongly governed by the combination of the light absorption component, scattering medium, and refractive index.
세계보건기구에 따르면 대기오염은 건강에 대한 주요 위험원으로 대기오염으로 인해 매년 약 700만 명의 조기 사망이 발생하고 있다. 이산화황(SO2)은 대표적인 대기오염물질로 황 성분이 포함된 연료의 연소에서 다량 발생한다. SO2 발생량을 감소시키기 위해서는 대형 연소 환경에서 이를 실시간으로 정밀하게 측정하고 측정 값을 바탕으로 저감 설비를 최적화하는 과정이 필요하다. 이 논문에서는 미세먼지 전구물질인 SO2의 농도를 측정하기 위해 파장 가변형 다이오드 레이저 흡수 분광법 중 파장 변조 분광법을 이용하였다. 광원으로는 7.6 ㎛ 양자 폭포 레이저를 사용하였고 7623.7 ~ 7626.0 nm 사이의 64개 다중 광흡수선으로 SO2 농도 측정이 가능함을 증명하였다. 실험은 1 atm, 296 K에서 28, 76 m multi-pass cell을 사용하여 수행되었다. SO2 농도는 고농도(1000 ~ 5000 ppm)와 저농도(10 ppm 이하)로 두 종류로 실험 하였다. 추가적으로 가스 셀 외에 레이저가 지나가는 경로에 질소를 채워 대기 중의 H2O가 SO2 측정에 미치는 영향을 확인하였다. SO2는 3 ppm까지 측정하였고 측정된 SO2 농도는 전기 화학식 센서와 NDIR 센서 측정 결과와 비교되었다.
여러 가지 원소의 동위원소 성분 분석은 생물학, 화학, 환경학, 연대학, 기후학 연구에 있어서 중요한 정보를 제공하는 유용한 수단이다. 동위원소 성분비를 측정하는 방법으로는 가스 동위원소 질량분석기를 이용한 방법이 사용되어 왔지만, 최근 다이오드 레이저의 발달과 함께 다이오드레이저 흡수분광법(TDLAS)이 개발되어 사용되고 있다. TDLAS 방법의 경우 질량분석기를 이용하는 방법에서는 측정이 불가능한 동일질량 분자의 동위원소 성분비를 측정할 수 있다. (중략)
여러 가지 원소의 동위원소 성분 분석은 생물학, 화학, 환경학, 연대학, 기후학 연구에 있어서 중요한 정보를 제공하는 유용한 수단이다. 그 중에서도 수소, 산소, 그리고 탄소 동위원소 성분비의 정밀한 측정은 지구의 기후 변화 연구 등에 필수적인 수단이며, 가깝게는 식음료의 원산지 및 품질 확인에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다 대표적으로 활용되고 있는 예를 보면 다음과 같다. 1. Authenticity Control and Detection of Adulteration: 쥬스류에 첨가제를 사용했는지의 여부를 확인할 수 있고, 포도주의 진품 여부를 확인할 수 있으며 원산지 확인도 가능하다. (중략)
In this study, the newly constructed optical measurement system, which was mainly composed of a parametric tunable laser and a near infrared photoelectric multiplier, was introduced to clarify the optical characteristics of wood as discontinuous body with anisotropic cellular structure from the viewpoint of the time-of-flight near infrared spectroscopy (TOF-NIRS). The combined effects of the cellular structure of wood sample, the wavelength of the laser beam λ, and the detection position of transmitted light on the time resolved profiles were investigated in detail. The variation of the attenuance of peak maxima At, the time delay of peak maxima Δt and the variation of full width at half maximum Δw were strongly dependent on the feature of cellular structure of a sample and the wavelength of the laser beam. The substantial optical path length became about 30 to 35 times as long as sample thickness except the absorption band of water. Δt ${\times}$ Δw representing the light scattering condition increased exponentially with the sample thickness or the distance between the irradiation point and the end of sample. Around the λ=900-950 nm, there may be considerable light scattering in the lumen of tracheid, which is multiple specular reflection and easy to propagate along the length of wood fiber. Such tendency was remarkable for soft wood with the aggregate of thin layers of cell walls. When we apply TOF-NIRS to the cellular structural materials like wood, it is very important to give attention to the difference in the light scattering within cell wall and the multiple specular-like reflections between cell walls. We tried to express the characteristics of the time resolved profile on the basis of the optical parameters for light propagation determined by the previous studies, which were absorption coefficient K and scattering coefficient S from Kubelka-Munk theory and n from nth power cosine model of radiant intensity. The wavelength dependency of the product of K/S and n, which expressed the light-absorbing and -scattering condition and the degree of anisotropy, respectively, was similar to that of the time delay of peak maxima Δt. The variation of the time resolved profile is governed by the combination of these parameters. So, we can easily find the set of parameters for light propagation synthetically from Δt.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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