직교 위상 변조 LITES 다성분 가스 센싱

본 논문은 실시간 다성분 가스 감지를 위해 광유도 열탄성 분광법(LITES) 센서에 직교 위상 변조(OPM) 및 리사주 모드 디커플링을 활용하는 새로운 광학 감지 메커니즘을 제안한다. 듀얼 경로 OPM 하에서 석영 진동자(QTF)의 2차원 강제 진동 모델을 수립하여, 비이상적인 위상 및 진폭 조건으로 인한 진동 모드 커플링 메커니즘을 규명하고 채널 간섭 억제를 위한 이론적 기반과 최적화 경로를 제공한다. OPM-LITES 센서에서는 동일 주파수(QTF 공명 주파수의 절반)를 가지지만 45도 위상차를 갖는 두 개의 연속파 분산 피드백 레이저가 변조된다. 파장 분할 다중화를 거친 결합 빔은 자체 설계된 저주파 QTF를 공동 여기한다. QTF에서 생성된 압전 신호는 록인 증폭기(LIA)를 통해 직교 복조되며, 두 가스의 농도 정보는 LIA의 디커플링된 X 및 Y 성분으로부터 독립적으로 추출된다. 실험 결과, OPM-LITES 센서는 메탄(CH4)과 아세틸렌(C2H2) 모두에 대해 우수한 선형 응답을 보였으며, 평균 상대 계통 오차는 각각 0.54% 및 0.79%, 최대 상대 오차는 1.72% 및 1.38%였다. 알렌 편차 분석 결과, CH4 및 C2H2의 최소 검출 한계(MDL)는 각각 0.32 ppm 및 0.29 ppm에 도달했으며, 정규화된 잡음 등가 흡수 계수는 5.09 × 10−9 cm−1·W·Hz−1/2 및 6.18 × 10−9 cm−1·W·Hz−1/2였다. 이 연구는 실시간 다성분 가스 감지를 위한 간단하고 효율적인 해결책을 제공할 뿐만 아니라, 분광 감지 분야에서 모드 디커플링 및 신호 처리를 위한 새로운 이론적 프레임워크를 확립했다.