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초안정 광대역 광주파수 안정화 기술 개발
기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다.
이 기술을 이용하면 150테라헤르츠(THz)의 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 동시에 1헤르츠(Hz) 수준으로 낮출 수 있다. 이를 통해 원자시계나 주파수 분광학에 활용할 수 있고, 광주파수를 기반으로 한 양자 센서의 성능도 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
권도현 박사과정이 1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 시간표준센터와 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 27일 자에 게재됐다. (논문명: Generation of multiple ultrastable optical frequency combs from an all-fiber photonic platform)
레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간/주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정한다.
특히 작년 5월 기본단위의 재정의를 통해 7개의 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수를 기반으로 정의되기 때문에 광주파수의 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 매우 중요한 이슈이다.
기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 장치의 크기가 클 뿐 아니라 주변 환경에 매우 민감한 수억 원 이상의 고가 장치이기 때문에 소수의 표준 연구소에서만 활용됐다.
연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또한, 각각의 주파수 모드에서 1천조 분의 1(10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보했다.
연구팀의 기술은 다양하게 활용 가능해, 특히 최근 대기 중 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있다.
연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였다.
불변하는 원자의 특성을 이용해 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에, 광주파수의 선폭과 안정도가 측정의 정확도와 신뢰도에 매우 중요하다.
김 교수는 “이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.04.09 조회수 16373 -
OLEV, 전자파 안전성 검증받아
- 온라인전기자동차 전자파 측정치, 국제기준보다 훨씬 낮아 -
KAIST(총장 서남표)는 올 해 6월과 9월 두 차례에 걸쳐 온라인전기자동차(OLEV)의 전자파를 측정한 결과 모두 안전성을 검증받았다고 19일 밝혔다.
지난 6월 전자파인체유해성 확인을 위해 한국표준과학연구원에서 서울대공원에 설치된 온라인전기열차를 대상으로 전자파를 측정했으며, 그 결과 0.05~61mG로 국내 기준인 62.5mG(밀리가우스)이내에 들었다.
한국표준과학연구원은 IEC 62233 ‘가전기기 및 유사기기에 대한 자속밀도 측정을 위한 시험조건 규정’에 따라 온라인전기자동차 측면 및 중앙에서부터 일정 거리(30cm)와 높이(5cm~150cm)를 달리하면서 총 22곳의 전자파를 측정했다.
또한, 온라인전기자동차의전자파에 대한 안정성 문제를 제기해왔던 교육과학기술위원회 소속 박영아 의원이 교육과학기술부를 통해 온라인전기자동차의 전자파 재측정을 요구해 지난 13일 또 한 번의 측정이 이뤄졌다. 이번 측정은 박영아 의원실 지정기관인 (주)EMF Safety에서 진행했고 지난 6월과 동일한 열차를 사용했다.
이번 전자파 측정결과도 0~24.1mG로 국내 기준을 만족했으며, 측정 현장에는 측정의 신뢰도를 보장하기위해 박영아 의원실을 비롯한 몇몇 외부 참관인도 이 자리에 함께했다.
참고로, 이 측정결과는 미국 국제전기전자기술자협회(IEEE)가 정하고 있는 전자파 인체보호기준(1,100mG)보다는 훨씬 안전한 수준이다.
현재 온라인전기자동차에 대한 구체적인 전자파 측정방법이 법으로 명시되어 있지 않아 이번 측정에는 박영아 의원이 요청한 대로 IEC 62110 ‘전력설비에 대한 자기장 측정방법’을 따라 온라인전기자동차 측면 및 중앙에서부터 거리 20cm에서 높이(50cm~150cm)를 달리하면서 총 15곳의 전자파를 측정했다.
한편, KAIST 온라인전기자동차는 차량 하부에 장착된 고효율 집전장치를 통해 주행 및 정차 중 도로에 설치된 급전라인으로부터 비접촉 자기유도 방식으로 전력을 공급받아 충전 걱정 없이 운행하는 신개념의 전기자동차 개발 사업이다.
붙임 : 측정 기준 및 방법, 참고사항
<측정기준 및 방법>
○‘전자파 인체보호 기준(방송통신위원회 고시 제2008-37호)’에 명시되어 있는
일반인에 대한 전자파 강도 기준에 근거
(3kHz 이상~150kHz 미만, 자속밀도 6.25μT=62.5mG)
- 온라인전기자동차의 경우, 20kHz 사용으로 자속밀도 기준은 62.5mG임
○IEC* 62233, 가전기기 및 유사기기에 대한 자속밀도 측정을 위한 시험조건규정
○IEC 62110, 전력설비에 대한 자기장 측정 방법
* IEC(International Electrotechnical Commission) : 국제전기표준회의
<참고사항>
국내에서 현재 따르고 있는 3kHz이상~150kHz미만에서 자속밀도를 제정한 국제비전리방사보호위원회(Intenational Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)는 62.5mG를 기준으로 하고 있으며, 미국 국제전기전자기술자협회(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)는 동일한 주파수에서 1,100mG를 기준으로 삼고 있음.
2010.09.24 조회수 15512