KR100628472B1 - ｆｅｗ ｍｏｄｅ 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서 - Google Patents
ｆｅｗ ｍｏｄｅ 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 few mode 광섬유를 이용하여 광섬유 격자나 가변 광섬유 격자를 제조하고 이를 이용하여 레이저 및 가변 레이저 공진기를 구성하여 광섬유에서의 라만 증폭 현상 또는 어븀 증폭 현상을 이용하여 온도와 스트레인을 동시에 측정할 수 있고, 장거리 센서로도 활용할 수 있는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 분리 및 장거리 센서에 대해 개시한다. 공진기의 한쪽은 few mode 광섬유로 제작한 단주기 광섬유 격자를 사용하고 다른 한쪽은 첩 광섬유 격자 또는 가변 첩 광섬유 격자를 사용하여 다파장 라만 또는 어븀 레이저를 구성하면 다파장 레이저가 각각 다른 모드로부터 생성되므로 온도와 스트레인 변화에 대해 각각 다른 반응을 보여서 파장 이동 및 반사율이 변하므로 온도 및 스트레인을 동시에 측정할 수 있다. 또한 수십 킬로미터 이상의 광섬유를 사용하기 때문에 장거리용 센싱 프로브(sensing probe)로 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
few mode, 온도, 스트레인, 센서, 라만 레이저, 어븀 광섬유 레이저
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 동시 감지 및 장거리 센서에 관한 개념도이다.
도 2는 미러 광섬유 격자의 파장대별 광반사 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 스트레인의 변화에 따라 각각의 파장이 다른 의존도를 나타내고 있는 그래프이다.
도 4는 온도의 변화에 따라 각각의 파장이 다른 의존도를 나타내고 있는 그래프이다.
도 5는 도 1에서 제시한 센서를 장거리에 분산시켜 놓은 센서에 관한 개념도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : few mode 광섬유 격자
2 : 첩 광섬유 격자 혹은 가변 첩 광섬유 격자
3 : 광섬유
4 : 파장 다중화 결합기
본 발명은 라만 또는 어븀 광섬유 레이저에 관한 것으로, 특히 two mode 광섬유 격자를 이용하여 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 구성하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 센서에 관한 것으로, 특히 two mode 광섬유 격자를 이용하여 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 구성하고 온도 및 스트레인을 동시에 측정할 수 있는 장거리 센서를 구현한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시감지 및 장거리 센서에 관한 것이다.
광섬유는 전자기적 영향(Electro-magnetic interference)을 받지 않는 우수한 센서로 인정받고 있다. 현재 건축물 교량의 균열도 측정, 온도 측정 등 다양하게 응용되고 있다.
기존의 광섬유 센서는 특수한 광섬유를 사용하거나 여러 개의 광섬유 격자를 연결하여 온도 및 스트레인을 분리할 수 있었다. 또한 일반적인 장거리 측정용 광섬유 격자 센서들은 보통 광대역 ASE(Amplified spontaneous emission) 광을 광원으로 사용하고 이 광신호를 긴 광섬유를 이용하여 광섬유 격자의 감지가 있는 곳까지 장거리 전송을 하게 되는데, 광섬유 내에서 레일리 산란(Rayleigh scattering) 현상으로 인해 25㎞ 이상의 거리에서는 감지된 신호, 즉 온도 및 스트레인 신호들을 제대로 전송할 수 없는 한계점을 갖고 있었다. 이와 같이, 일반 광대역(Broadband) 광원이나 광증폭기의 ASE를 이용하므로 광섬유의 손실과 레일리 산란에 의한 신호 잡음 때문에 센서 신호의 장거리 전송이 어려워 심해나 땅속 깊은 곳 같은 특수한 상황에서는 사용하기 어렵다는 단점을 갖고 있었다.
게다가, 실제적으로 온도와 스트레인의 구별하기 위해 여러 개의 광섬유 격자나 특수한 광섬유를 이용하여 격자를 제조하기 때문에 복잡하고 사용하기 불편할 뿐만 아니라, 제조상 고비용이 소요되는 단점도 갖고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 few mode 광섬유를 이용하여 광섬유 격자를 제조하고 수십 킬로 미터정도의 광섬유를 이용하여 다파장 라만 또는 어븀 레이저를 제작함으로써 온도 및 스트레인을 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라 센서 신호의 장거리 전송에 적합한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 동시감지 및 장거리 센서를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저는, 적어도 2개 이상의 모드(mode)를 갖는 광섬유에 형성된 격자를 이용하여 다파장 라만 또는 어븀 증폭에 의한 공진기를 형성시킨 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 공진기는, 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러(mirror) 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단에 형성시키고, 미러(mirror) 기능과 온도 또는 스트레인 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 few mode 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진다. 이 때, 상기 이득매질인 광섬유는, 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나이며, 이득매질인 광섬유의 길이는 수㎞ 에서 수백㎞ 범위까지 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 분리 및 장거리 센서는, 라만 레이저 펌핑광을 받아들이며 출력단에 연결된 결합기를 포함하고, 상기 결합기에서 연장된 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단과 결합기 사이에 형성시키고, 미러 기능과 온도 또는 스트레인 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 few mode 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 이득매질인 광섬유는, 통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나이며, 이득매질인 광섬유의 길이는 수㎞ 에서 수백㎞ 범위까지 사용할 수 있다.
또한, 서로 다른 위치에서 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저 출력을 얻기 위해, 상기 이득매질이 서로 다른 few mode 광섬유 격자를 일정거리를 두고 분산 설치할 수 있다. 이 때, 상기 few mode 광섬유 격자는, 온도 및 스트레인의 변화에 따라 few mode 광섬유 격자의 중심 파장이 변화되며, 상기 변화된 중심 파장에 의해 라만 레이저 공진 파장이 변화되어 상기 출력단에서의 라만 레이저의 중심 파장이 변화되도록 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 분리 및 장거리 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 온도와 스트레인 분리 및 장거리 센서는, 온도 및 스트레인 변화를 감지하기 위해 단주기 격자로 형성시킨 few mode 광섬유 격자(1)와, 라만 또는 어븀 광섬유 레이저 공진기 구성을 위한 미러 광섬유 격자로써 첩 광 섬유 격자(chirped fiber Bragg grating) 혹은 가변 첩 광섬유 격자(2)와, 라만 또는 어븀 광증폭이 일어나기에 충분한 길이를 갖는 일반 광섬유 혹은 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유(PCF : Photonic Crsytal Fiber), 비선형 광섬유 (HNLF : Highly Nonlinear Fiber) 및 어븀 광섬유 중에서 선택된 어느 하나의 광섬유(3)와, 그리고 레이저용 펌핑광이 광섬유로 전달될 수 있도록 결합된 파장 다중화 결합기(4)로 이루어져 있다.
한편, 출력 센서 신호는 상기 파장 다중화 결합기(4)를 통해 출력단으로 전달된다.
상기 few mode 광섬유 격자(1)와 첩 혹은 가변 첩 광섬유 격자(2) 사이에서 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저가 생성되고 온도와 스트레인 변화에 대해 각각 다른 반응을 보이게 된다.
본 실시예에서 제시되는 센서 신호를 발생시키기 위해서 라만 또는 어븀 광증폭 현상을 이용한다. 레이저 발진을 위한 공진기는 도 1에 도시된 바와 같이, 이득매질인 아주 긴 길이의 광섬유와 이 이득매질 양단에 미러 역할을 수행하는 1개의 미러 광섬유 격자(2), 즉 넓은 파장 대역을 갖는 첩 광섬유 격자 혹은 가변 첩 광섬유 격자와, 미러 역할을 수행하고 온도과 스트레인을 감지하기 위한 few mode 광섬유 격자(1)로 이루어져 있다.
레이저의 펌핑광은 파장 다중화 결합기를 이용해서 이득 매질인 광섬유로 전달되는데, 이 때 이 광섬유는 라만 또는 어븀 광증폭을 일으킬 수 있을 충분한 길이를 갖고 있어야 한다. 상기 펌핑광의 세기와 광섬유의 종류에 따라 길이가 수백㎞ 이 상 충분히 증가시킬 수 있다. 이렇게 구성된 라만 또는 어븀 광섬유 레이저는 충분한 펌핑광이 공진기 내부로 입사됨에 따라 다파장 라만 또는 어븀 광 레이저 신호를 발생시키게 된다. 이 때 few mode 광섬유 격자(1)가 온도 및 스트레인의 변화에 따라 변화를 일으키게 되고, 다파장 라만 또는 어붐 광섬유 레이저에서는 각각 다른 공진 파장의 변화가 일어나므로 온도 및 스트레인을 분리할 수 있게 된다.
또한 아주 긴 길이의 광섬유를 깊은 바다 속이나 땅속으로 넣어 광섬유 끝단에 연결되어 있는 few mode 광섬유 격자(1)로 온도 및 스트레인을 동시에 감지할 수 있다.
few mode 광섬유 격자는 여러 개의 모드가 존재하는 격자로써 그 중심 파장이 온도나 스트레인의 변화에 따라 모드들의 변화가 다르게 일어나는 원리를 이용하고, 반대편에 연결시킨 미러 광섬유 격자(2)는 감자 광섬유 격자의 중심 파장 변화를 대응할 수 있도록 충분한 파장 대역을 갖고 있어야 한다.
온도와 스트레인의 변화에 따라 few mode 광섬유 격자(1)의 중심 파장들이 변화를 일으키게 되면, 이는 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저 공진 파장들을 변화시켜 출력 신호인 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저의 중심 파장들이 이동하여 이 상대적인 출력광 파장 변화를 계측하여 온도 및 스트레인 변화를 측정할 수 있게 된다.
도 2는 미러 광섬유 격자의 파장대별 광반사 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 원리를 증명하기 위해 일례로 사용된 미러 광섬유 격자(2)와 few mode 광섬유 격자(1)의 파장대별 광반사 특성을 보여주고 있다.
여기서는 few mode 광섬유 격자(1)의 종류로써 two mode 광섬유 격자를 사용하였으므로 2개의 파장에서 레이저가 발진되는 것을 알 수 있다. 미러 광섬유 격자(2)는 섭씨 500℃ 이상의 온도 변화를 측정할 수 있도록 하기 위한 충분한 파장대역을 갖도록 5㎚ 파장폭을 갖고 있다.
도 3은 스트레인의 변화에 따라 각각의 파장이 다른 의존도를 나타내고 있는 그래프이고, 도 4는 온도의 변화에 따라 각각의 파장이 다른 의존도를 나타내고 있는 그래프이다. 여기서는 few mode 광섬유 격자로 two mode 광섬유 격자를 사용하였으며, 도 2에서 2개의 파장에서 레이저가 발진함을 알 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 온도 및 스트레인의 변화에 따라 각각의 파장이 다른 의존도를 보이고 있음을 알 수 있으며, 온도와 스트레인이 변함에 따라 두 파장이 라만 또는 어븀 광섬유 레이저 출력의 파장값이 선형적으로 증가함을 나타내고 있다. 그 의존도는 다음과 같이 표현될 수 있다.
따라서, 온도 및 스트레인을 쉽게 분리할 수 있다.
도 5는 도 1에서 제시한 센서를 장거리에 분산시켜 놓은 센서에 관한 개념도이다. 도 5를 참조하면, 도 1에서 제시된 구조를 확장하여 센서를 장거리에 분산시킬 수 있음을 나타내고 있다. 이 때, 각각의 few mode 광섬유 격자(1, 1')의 파장은 서로 달라야 한다. 이렇게 함으로써 출력단에서는 서로 다른 파장을 갖는 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저 출력을 볼 수 있고, 각각의 파장 변화를 측정하여 알고 싶은 위치의 온도 및 스트레인을 동시에 측정할 수 있다.
이를 통해 아주 긴 길이의 광섬유와 광섬유 격자를 이용하여 구성한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 심해 혹은 깊은 땅속의 온도 또는 스트레인을 측정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 기능적인 특징들을 가지고 있다.
1. 온도와 스트레인을 동시에 측정
2. 다파장 라만 또는 어븀 광섬유 레이저 구성
3. 장비구성 간소화
4. 용이한 장거리 센서 구현(수백 km 이상도 가능) - 심해 및 땅속 측정 가능
5. 측정 범위의 확장
6. 제작비용의 저렴화 및 대량 생산 가능
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저와 이를 이용한 온도와 스트레인 분리 및 장거리 센서는, 1개의 광섬유 격자를 센서 프로브(probe)로 사용하므로 시스템이 간단화, 저비용, 높은 성능을 기대할 수 있으며, 아주 긴 길이의 광섬유를 이득 매질로 사용하므로 기존의 센서 기술에서 한계점을 보여 온 25㎞ 이상 거리에서도 쉽게 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 적어도 2개 이상의 모드(mode)를 갖는 광섬유에 형성된 격자를 이용하여 다파장 라만 또는 어븀 증폭에 의한 공진기를 형성시키며 상기 공진기는 이득매질인 광섬유를 포함하며, 미러(mirror) 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단에 형성시키고, 미러(mirror) 기능과 온도 또는 스트레인 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 few mode 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저.
- 삭제.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유는,통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 2㎞ 내지 900㎞ 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저.
- 라만 레이저 펌핑광을 받아들이며 출력단에 연결된 결합기를 포함하고,상기 결합기에서 연장된 이득매질인 광섬유를 포함하며,미러 기능을 수행하는 넓은 파장 대역의 처프된 광섬유 격자 또는 처프된 가변 광섬유 격자로 이루어진 미러 광섬유 격자를 상기 이득매질 일단과 결합기 사이에 형성시키고,미러 기능과 온도 또는 스트레인 동시 감지 기능을 수행하기 위한 단주기 광섬유 격자 또는 가변 광섬유 격자로 이루어진 few mode 광섬유 격자를 상기 이득매질 타단에 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유는,통상의 광섬유, 라만 증폭기용 광섬유, 포토닉 크리스탈 광섬유 및 비선형 광섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 이득매질인 광섬유의 길이는 2㎞ 내지 900㎞ 범위내에서 선택되는 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서.
- 제 5 항에 있어서, 서로 다른 위치에서 서로 다른 파장을 갖는 라만 레이저 출력을 얻기 위해, 상기 이득매질이 서로 다른 few mode 광섬유 격자를 일정 거리를 두고 분산 설치하는 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서.
- 제 5 항에 있어서, 상기 few mode 광섬유 격자는,온도 및 스트레인의 변화에 따라 few mode 광섬유 격자의 중심 파장이 변화되며, 상기 변화된 중심 파장에 의해 라만 레이저 공진 파장이 변화되어 상기 출력단에서의 라만 레이저의 중심 파장이 변화되도록 구성된 것을 특징으로 하는 few mode 광섬유 격자를 이용한 라만 또는 어븀 광섬유 레이저를 이용한 온도와 스트레인 동시 측정을 위한 장거리 센서.
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