본 연구는 주파수 안정성을 향상시킨 밀봉형 수정 진동자(QTF) 기반의 원거리 광유도 열탄성 분광법(standoff-LITES) 센서를 최초로 제안하고 시연했습니다. QTF의 최적 작동 온도는 약 0°C로 설정되었으며, 3.27 µm 파장대의 DFB-ICL 레이저를 사용하여 물(H2O)과 메탄(CH4)의 흡수선을 포함하는 3056.8–3058.1 cm−1 범위의 파수를 방출했습니다.
센서는 오프축 포물면 거울과 5m 떨어진 협력 타겟을 활용하여 총 10m의 흡수 경로를 구현했습니다. 개발된 standoff-LITES 센서 시스템은 H2O에 대해 8.2 ppm, CH4에 대해 1.6 ppb의 최소 검출 한계(MDL)를 달성했으며, 이는 각각 6.7 × 10−9 W·cm−1 Hz−1/2 및 6.3 × 10−9 W·cm−1 Hz−1/2의 NNEA에 해당합니다.
일주일간의 야외 모니터링 실험에서 이 센서는 주변 H2O 및 CH4 농도를 지속적으로 측정했으며, 측정된 데이터는 지역 기상 관측소 및 대기 배경 관측소의 관측 데이터와 변화 추세 면에서 일관성을 보였습니다.
이러한 결과는 본 연구에서 제시된 standoff-LITES 센서가 대기 미량 가스의 장기 원거리 모니터링에 상당한 응용 잠재력을 가지고 있음을 검증합니다.
광유도 열탄성 분광법(LITES) 센서의 검출 성능 향상과 시스템 통합을 위해 긴 광 경로 길이(OPL)와 높은 광 경로 길이 대 부피 비율(RLV)을 가진 다중 통과 셀(MPC)이 중요합니다. 본 연구에서는 병렬 비지배 정렬 유전 알고리즘 II(PNSGA-II) 다중 목적 알고리즘으로 설계된 초고밀도 스팟 패턴 MPC 기반의 초고감도 LITES 센서를 최초로 보고합니다.
PNSGA-II 알고리즘을 활용하여 5가지 고밀도 스팟 패턴 MPC를 생성했으며, 실험적으로 측정된 OPL은 20 cm⁻² 이상의 우수한 RLV를 보이며 이론적 결과와 일치했습니다. 이는 PNSGA-II 알고리즘과 MPC 계산 모델이 고성능 MPC 설계에 신뢰할 수 있는 가이드임을 입증합니다. 실제 OPL이 80.14 m인 설계된 MPC를 사용하여 아세틸렌(C₂H₂) LITES 센서 시스템을 구축했습니다.
검출기로는 자체 설계된 공진 주파수 9.5 kHz의 원형 헤드 석영 튜닝 포크(QTF)를 사용했습니다. C₂H₂-LITES 센서는 C₂H₂ 농도에 대해 우수한 선형 반응을 보였으며, 최소 검출 한계(MDL)는 4.78 ppb로, 상용 QTF 대비 3.45배 향상된 성능을 나타냈습니다.
또한, Allan 편차 분석 결과 평균 시간 200초에서 MDL이 891 ppt까지 향상될 수 있음을 확인하여, 이 센서의 초고감도 검출 성능을 입증했습니다. 이 연구는 고성능 LITES 센서 개발에 중요한 기여를 합니다.
