• Optical Delay Line (ODL)

• 광딜레이라인
• 제조사: (미) Ultrafast Systems
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광딜레이라인 ODL 은 초고속 펌프-프로브(또는 펌프-게이트) 실험 셋업의 중요한 장치입니다. 빔 포인팅의 작은 변화 (레이저 빔 드리프트, 이동된 미러 등)도 데이터 품질을 손상시킬 수 있습니다. 그렇기 때문에 하루에 한 번 이상 딜레이라인 정렬을 확인하는 것이 좋습니다. 딜레이라인을 정렬하려면 일반적으로 특별한 기술 교육이 필요하며 많은 시간이 소요될 수 있습니다.

특허받은 Smart Delay Line™ 시스템은 몇 분 안에 딜레이라인의 원래 정렬을 완전히 복원할 뿐더러, 매우 중요한 점으로 딜레이라인이 복원되어도 원래의 빔 포인팅 역시 함께 복원된다는 것입니다. 이렇게 하면 딜레이라인 이후 광학 셋업 "다운스트림"에서 재정렬이 필요하지 않습니다. 이를 통해 실험을 세팅하는데 필요한 시간이 크게 단축되어 기기 가동 시간이 늘어납니다. 또한 사용자에게 필요한 기술 교육의 양을 줄여 더 많은 연구그룹이 분광기를 이용할 수 있습니다.

• 주요사양
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• •적용파장: ~800nm or ~1030nm
• •지연범위(시간창): 8ns
• •분해능: 14fs
• •최소스텝: 2.8fs
• •최대속도: >10ns/s
• •가속도: 260ns/s²
• •자동정렬시간: 3-5분
• •빔포인팅드리프트: <10um (8ns 지연범위에 대해)
• •광효율: 80% @800nm, >90% @1030nm

• Smart Delay Line™
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• 딜레이라인 이후의 빔 포인팅은 역반사경 (retroreflector) 의 위치에 관계없이 동일하게 유지되어야 하기 때문에 광 딜레이라인의 올바른 정렬이 중요합니다. 딜레이 스테이지가 제대로 정렬되지 않은 경우 스테이지가 이동함에 따라 빔 포인팅이 변경됩니다. 이는 샘플에서 펌프 빔과 프로브 빔의 공간적 중첩에 영향을 미치고 부정확한 데이터를 만듭니다.
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• 능동형 빔 안정화를 위한 상용 솔루션들이 있지만 펌프-프로브 실험에서 광딜레이라인을 정렬하는 데는 적합하지 않습니다. 능동 안정화 방법은 광딜레이라인을 미리 정렬할 수 없기 때문입니다. 대신 원래 빔 포인팅을 유지하기 위해 정렬의 모든 변경 사항을 능동적으로 보상합니다. 펌프-프로브 실험에서 딜레이라인 스캐닝이 시작되면 들어오거나 나가는 빔의 궤적을 변경해서는 안 됩니다. 따라서 "즉시" 궤적 변경은 역반사경의 위치 변경으로 인해 레이저 빔이 얼마나 지연되는지에 따라 예측할 수 없는 영향을 받습니다. 즉, 펌프-프로브 실험에서, 이동할 수 있고 이동해야 하는 유일한 광학콤포넌트는 관심 파라미터가 딜레이라인 위치의 함수로만 측정되기 때문에 광딜레이라인입니다. 역반사경 위치와 빔 지연 사이에 신뢰할 수 있는 상관 관계를 갖는 유일한 방법은 딜레이라인이 스캔 시작 전에 정렬되도록 하는 것입니다.
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• 특허받은 Smart Delay Line™ 기능(특허 번호: US 10,209,131)을 통해 사용자는 딜레이라인 이후에 원래 빔 포인팅을 유지하면서 실험이 시작되기 전에 지연선을 자동으로 정렬할 수 있습니다. 결과적으로 사용자는 나머지 설정을 재정렬할 필요 없이 완전히 정렬된 딜레이라인을 갖게 되며 많은 시간을 절약하고 분광기의 사용자 친화성을 크게 향상시킵니다.
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• 특징:
• •딜레이라인의 완전 자동 및 자동 정렬. 특별한 교육이 필요하지 않습니다.
• •원래의 딜레이라인 정렬과 딜레이라인 이후의 빔 포인팅을 자동으로 복원합니다.
• •일반적인 정렬 시간은 3-5분입니다.
• •수동 방법으로는 달성할 수 없는 높은 수준의 정밀도. 8ns 지연 범위 전체에서 10µm 미만의 빔 포인팅 드리프트.

• 고속
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• 대부분의 상용 딜레이라인은 리드 스크류 구동 방식의 이동 스테이지를 사용하므로 이동 속도와 가속도가 다소 제한적입니다. 일반적인 순간흡수 또는 형광 업컨버전 실험에서 결과적으로 역반사경의 한 지연 시점에서 다른 지연 시점으로 이동하는 데 상당한 시간이 낭비됩니다. 이 문제는 시점이 무작위 순서로 조사될 때 더 심하게 됩니다. 이 경우 일반적인 실험 시간이 3배 또는 그 이상이 더 소요되는데 대부분의 시간을 딜레이라인을 이동 조작하는 데 소비합니다. 그렇지 않으면 매우 유용한 무작위 지연 스테핑 접근 방식을 이것 때문에 비실용적이 됩니다. 
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• 당사가 제공하는 Ultrafast Systems 사의 솔루션은 브러시리스 리니어 모터가 통합된 로우 프로파일 디자인을 특징으로 하는 다이렉트 드라이브 기반 광딜레이라인 사용하는 것입니다. 다이렉트 드라이브 기술은 리드 스크류의 필요성을 제거하여 백래시를 제거하고 내부의 유연한 덕팅(ducting)은 메커니즘이 움직일 때 케이블이 걸리지 않도록 합니다. 정밀 홈이 있는 트윈 선형 베어링은 뛰어난 정확도로 뛰어난 강성과 선형성을 제공합니다. 이 직접 구동 광 딜레이라인은 총 지연시간 8ns 의 시간창 (time window)을 제공합니다. 순차 또는 무작위 순서로 지연 시점을 스테핑하는 데 이상적입니다. 큰 가속도와 빠른 이동속도로 인해 시점이 무작위로 조사되더라도 전체 실험 시간은 기본적으로 변경되지 않습니다.

• 고효율
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• 광 딜레이라인에서 빔은 딜레이라인을 통해 1번 이상 전송됩니다. 멀티패스 딜레이라인은 다음과 같은 몇 가지 이점이 있습니다.
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• •더 짧은 이동스테이지를 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 전체 셋업이 더 콤팩트해지고 딜레이라인을 샘플과 분광기 내부에 더 가깝게 유지할 수 있으므로 빔 포인팅 안정성과 데이터 품질을 향상시킵니다.
• •이동스테이지가 짧을수록 시점 간 이동 속도가 빨라집니다. 이는 랜덤 시간 스테핑에 매우 유용합니다.
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• 그러나 보호 메탈코팅 역반사경에서 여러 번 반사된 후에는 빔의 파워가 많이 손실되고 짧은 fs 펄스가 눈에 띄게 늘어날 수 있습니다. 이 문제를 극복하기 위해 Ultrafast Systems의 딜레이라인은 처프 보정 유전체 미러 (chirp-corrected dielectric mirror) 로 된 역반사경을 사용합니다. 이를 통해 레이저 펄스 파라미터들을 보존하고 대부분의 파워(~80%)을 유지할 수 있습니다.

• 시간 분해능
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• Ultrafast Systems 사의 ODL 은 대부분의 상용 펨토초 레이저와 호환됩니다. 펌프-프로브 분광법에 사용되는 펨토초 레이저의 두 가지 주요 유형은 ~35fs 및 ~100fs입니다. 아래 그림은 각 레이저 펄스 지속 시간에 대한 ODL로 얻을 수 있는 시간 분해능을 보여줍니다. 검정색 선은 레이저 펄스를 나타내고 빨간색 선은 무한 고해상도 ODL에 대한 IRF(Instrument Response Funtion) 를 나타냅니다. 파란색 선은 딜레이라인(14fs 분해능)으로 얻은 IRF를 나타냅니다.
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• 아래의 왼쪽 그림은 100fs 레이저 펄스의 시스템 분해능을 보여줍니다. 여기서 파란색과 빨간색 선이 완전히 중첩되어 가장 짧은 이론적 IRF와 지연 라인으로 달성할 수 있는 IRF 사이에 차이가 없음을 나타냅니다.
• 오른쪽 그림은 35fs 레이저 펄스를 사용한 시스템 분해능을 보여줍니다. 여기서 파란색과 빨간색 선이 서로 매우 가깝고 이론적으로 달성 가능한 가장 짧은 IRF에서 ~2fs만 증가합니다. 이러한 증가는 ~50fs의 가장 짧은 IRF의 4%에 해당합니다.

분해능 vs. 최소스텝

• 광딜레이라인의 분해능은 특정 광딜레이를 얼마나 정확하게 설정할 수 있는지를 나타냅니다. 이 분해능 파라미터를 딜레이라인의 최소스텝과 혼동해서는 안 됩니다. 딜레이라인의 분해능은 일반적으로 최소스텝 사이즈보다 훨씬 큽니다. 다음은 이들 파라미터의 의미에 대한 간략한 설명입니다.
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• •최소스텝: 어느 한 이동스테이지가 만들 수 있는 최소 증분 이동값, 즉 최소 스텝사이즈로서, 그 스테이지의 분해능과 혼동해서는 안 됩니다. 이는 일반적으로 스테이지가 백래시 및 기타 요인으로 인해 정확히 지정된 위치에 도달할 수 없기 때문입니다. 엔코더 판독값이 정확한 목표 위치를 나타내더라도, 스테이지는 여전히 해당 위치에서 스테이지의 반복정밀도 거리 안에 있습니다. 
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• •분해능: 분해능은 이동스테이지 제조업체에서 "양방향 반복정밀도" (bi-directional repeatability) 이라고 부르는 파라미터입니다. 반복정밀도는 스테이지가 정확한 목표 위치로 돌아가는 능력을 측정한 것입니다. 반복정밀도가 작은 값일수록 스테이지가 목표값에 더 가까워질 수 있습니다. 양방향 반복정밀도는 양방향에서 목표 위치에 접근했을 때의 반복정밀도의 평균이며, 반복정밀도를 사양화하는 보다 구체적인 방법으로 간주됩니다.
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• •당사에서 제공한 Ultrafast Systems 사의 딜레이라인은 다이렉트 드라이브 기술을 기반으로 하는 이동스테이지를 사용합니다. 다른 많은 이점(속도, 가속도)과 더불어, 이러한 스테이지는 백래시가 없으며 리드 스크류 구동 스테이지에 비해 훨씬 더 나은 반복정밀도를 특징으로 합니다.