KR20230032196A - 좁은 주파수 선폭을 갖는 레이저 발진기 및 이 레이저 발진기를 갖는 광파이버 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 좁은 주파수 선폭을 갖는 레이저 발진기에 관한 것으로, 레이저를 발진하는 광원(110)과, 광원(110)이 발진하는 레이저의 위상을 측정하는 위상 측정부(130)와, 위상 측정부(130)가 측정한 위상과 미리 기준 위상과의 비교에 의해 위상 오차를 구하는 위상오차 검출부(150)와, 위상오차 검출부(150)가 구한 위상 오차를 전류 값으로 변환하여 광원에 출력하는 구동부(170)를 포함한다.

Description

좁은 주파수 선폭을 갖는 레이저 발진기 및 이 레이저 발진기를 갖는 광파이버 센서 시스템{NARROW LINEWIDTH LASER OSCILLATOR AND FIBER OPTIC SENSOR SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 레이저 발진기 및 이 레이저 발진기를 갖는 광파이버 센서 시스템에 관한 것으로, 특히, 간단한 구조를 갖는 외부 안정화장치에 의해 레이저 발진기가 발진하는 레이저의 주파수 선폭을 좁게 제어할 수 있는 레이저 발진기 및 이 레이저 발진기를 갖는 광파이버 센서 시스템에 관한 것이다.
결맞음 방식의 라이다(Coherent LiDAR)나 분포형 광파이버 음파검출장치(Distributed Acoustic Sensing : DAS) 또는 레이저 진동측정기(Laser Doppler Vibrometer)와 같이 다양한 분야에서 광원으로 사용되는 레이저 발진기에서 높은 신호 대 검출비를 얻기 위해서는 광원으로 사용하는 레이저 발진기의 주파수 선폭이 좁은, 다시 말해 레이저의 발진 주파수가 변하는 폭이 좁은 것이 바람직하다.
그러나 좁은 주파수 선폭의 레이저 발진기는 매우 고가일 뿐 아니라 외부 환경의 변화에도 민감하다는 문제가 있다.
따라서 레이저를 발진하는 광원으로 상대적으로 넓은 선폭을 갖는 레이저 발진기를 사용하면서도, 간단한 구조의 안정화장치의 부가에 의해 레이저 발진기가 발생하는 레이저의 발진 주파수 변화 폭을 좁게 제어함으로써 고가의 레이저 발진기를 사용하는 것과 실질적으로 동일한 성능을 구현할 수 있도록 하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 및 비 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에서는, 광원이 출력하는 연속파 광신호로부터 위상변조에 의해 그보다 더 좁은 선폭의 연속파 광신호를 생성하고, 이 연속파 광신호에 대해 주파수 변별을 실행하여 얻은 주파수 변별신호를 전기신호로 변환하여, 이 전기신호와 외부로부터 입력되는 기준신호를 차동 증폭한 증폭신호에 의해 광원을 구동 제어하도록 함으로써 주파수 선폭이 좁은 레이저광을 출력하도록 하고 있다. 또, 상기 전기신호의 일부를 적분하여 당해 전기신호의 주파수 정보를 위상 정보로 변환하여, 변환된 위상정보를 이용하여 상기 위상 변조를 실행한다.
비 특허문헌 1의 이른바 PDH법(Pound-Drever-Hall Method)은 전압에 의해 발진 파장을 제어할 수 있는 광원으로부터의 광을 발진기의 정현파 신호에 의해 구동되는 위상 변조기에서 위상 변조하여 패브리 페로 광 간섭계(Fabry-Perot Interferometer : FPI, Fabry-Perot cavity)에 입력하고, 그 반사광으로부터 얻은 전기신호를 피드백하여 광원의 발진 파장을 제어하도록 하고 있다.
상기 특허문헌 1의 기술에서는 주파수 변화를 검출하기 위해 레이저 발진기로부터의 광을 위상변조 하기 위한 위상변조기를 포함하는 복잡한 구성이 필요하므로 레이저 발진기 전체 구조가 복잡해지며, 이에 따른 장치의 비용도 증가한다는 문제가 있다.
또, 비 특허문헌 1의 이른바 PDH법은 수 ㎐ 수준의 좁은 주파수 선폭으로 레이저 발진기의 주파수 선폭을 제어할 수 있다는 장점이 있으나, 특허문헌 1과 마찬가지로, 주파수 변화를 검출하기 위해 레이저 발진기로부터의 광을 위상변조 하기 위한 위상변조기가 필요한 동시에, 매우 정밀하게 제작된 공진기(Fabry-Perot Cavity)도 있어야 하므로 그 구조가 복잡하며, 이에 따른 비용 역시 증가한다는 문제가 있다.
그러나 결맞음 방식의 라이다나 DAS 또는 레이저 진동측정기 등에서는 광원으로 10∼50㎑ 수준의 주파수 선폭을 갖는 레이저 발진기에 의해서도 주파수 안정화가 가능하므로 구태여 고비용의 특허문헌 1 또는 비 특허문헌 1의 방법을 이용한 레이저 발진기를 사용하지 않아도 된다.
등록특허 10-2004918호 공보(2019. 9. 18. 공고)
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Drever%E2%80%93Hall_techn
본 발명은 종래 기술의 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성에 의해, 비교적 저렴한 비용으로 10∼50㎑ 수준의 주파수 선폭으로 레이저 발진기의 발진 주파수 선폭을 제어할 수 있는 레이저 발진기 및 이 레이저 발진기를 갖는 광파이버 센서 시스템을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 레이저 발진기는 레이저 발진기로, 레이저를 발진하는 광원과, 상기 광원이 발진하는 레이저의 위상을 측정하는 위상 측정부와, 상기 위상 측정부가 측정한 위상과 미리 기준 위상과의 비교에 의해 위상 오차를 구하는 위상오차 검출부와, 상기 위상오차 검출부가 구한 위상 오차를 전류 값으로 변환하여 상기 광원에 출력하는 구동부를 포함한다.
또, 본 발명의 광파이버 센서 시스템은 감시 대상에 광을 조사하는 광원과, 상기 감시 대상의 상태 변화에 의해 상기 광원에서 조사된 광의 변화를 감지하는 센싱부와, 상기 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부와, 상기 수광부에 의해 수신된 광으로부터 상기 감시 대상의 상태 변화를 판단하는 판단부를 포함하고, 상기 광원은 상기 레이저 발진기이다.
본 발명에 의하면 별도의 위상 변조기와 정밀하게 제작된 공진기 등을 사용하지 않으면서, 비교적 구성이 간단하고 비용이 저렴한 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하여 10∼50㎑ 수준의 주파수 선폭으로 레이저 발진기의 발진 주파수 선폭을 제어할 수 있는 레이저 발진기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 레이저 발진기의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 위상 측정부의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태의 레이저 발진기에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태의 레이저 발진기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타내는 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태의 레이저 발진기(100)는 광원(110)과 위상 측정부(130)와 위상오차 검출부(150) 및 구동부(170)를 포함한다.
광원(110)은 레이저를 발진하며, 본 실시형태의 레이저 발진기(100)에서는 단일 주파수의 연속파 레이저를 발진하는 단일 주파수 레이저(single frequency laser : SFL) 광원을 이용한다. 또, 광원(110)은 온도제어에 의해 광원이 발생하는 레이저의 위상을 안정화시키는 기능을 갖는 광원을 사용하면 더 좋다.
위상 측정부(130)는 광원(110)이 발진하는 레이저의 위상 값을 측정하며, 위상 측정부(130)는 간섭부(131)와 광전 변환부(133)를 포함한다.
간섭부(131)는 광원(110)이 발진하는 레이저의 일부를 입사하여, 입사한 레이저로부터 간섭신호를 생성하며, 본 실시형태에서는 간섭부(131)로 레이저 광원(110)으로부터 분기한 2개의 광 간의 위상 차를 측정하는 광학장치인 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하고 있다.
광전 변환부(133)는 간섭부(131)가 발생하는 간섭신호를 전기신호로 변환하고, 이로부터 위상 값을 얻어서 위상오차 검출부(150)로 출력한다.
광원(110)은 단일 주파수의 레이저를 발진하나 이 레이저는 선폭이 크므로 시간의 변화에 따라서 계속해서 그 단일 주파수가 바뀌는 상태의 광이다.
Mach-Zehnder 간섭계로 구성되는 간섭부(131)는 제 1 및 제 2 도파로 사이에 경로 차를 가지므로 간섭부(131) 내에서 상대적으로 더 짧은 거리를 이동한 레이저와 더 먼 거리를 이동한 레이저가 서로 간섭을 일으키며, 두 레이저의 이동 거리가 일정해도 레이저의 주파수가 변하면 그 주파수의 변화에 따라서 위상도 바뀐다.
따라서 광전 변환부(133)가 출력하는 전기신호는 도 2에 도시된 것과 같은 사인파(sine wave) 형태의 신호가 되며, 이 신호로부터 광원(110)이 발진하는 레이저의 위상 값을 얻을 수 있다.
위상오차 검출부(150)는 미리 정해진 기준 값(예를 들어 0V = 0도)을 기준 위상(Pref)으로 정해 두고, 이 기준 위상(Pref)과 위상 측정부(130)로부터 출력하는 출력 위상(Pout)을 비교하여 위상 오차(Perror)를 구해서 구동부(170)에 출력한다.
구동부(170)는 위상오차 검출부(150)가 출력하는 위상 오차(Perror)를 전류 값으로 변환하여 광원(110)에 출력하며, 이 전류 값에 의해 광원(110)이 발진하는 레이저의 주파수를 높이거나 낮추도록 제어한다. 이때, 필요에 따라서 구동부(170)는 위상오차 검출부(150)로부터 입력하는 위상 오차(Perror)를 증폭한 후 전류 값으로 변환하거나, 또는 변한 후의 전류 값을 증폭하여 레이저 광원(110)에 공급하도록 하는 증폭 기능을 더 가지도록 구성해도 좋다.
이때의 구동부(170)에 의한 광원(110)의 제어는, 예를 들어 위상 측정부(130)의 출력 위상(Pout)이 기준 위상(Pref)보다 크면 광원(110)이 발진하는 레이저의 주파수를 낮추도록 제어하고, 위상 측정부(130)의 출력 위상(Pout)이 기준 위상(Pref)보다 작으면 광원(110)이 발진하는 레이저의 주파수를 높이도록 제어할 수 있다.
만일, 광원(110)이 반도체 레이저가 아닌 가스 레이저 또는 고체 레이저인 경우, 구동부(170)가 출력하는 전류 값을 이용하여 가스 레이저 또는 고체 레이저의 공진기의 길이를 제어함으로써 광원(110)이 발진하는 레이저의 주파수를 제어하도록 할 수도 있다.
그러나 대부분의 상용 레이저 광원은 공진기의 길이 제어가 불가능하도록 제작되어 있다. 이 경우에는 광원(구동 칩)의 구동전류를 높이면 국부적으로 미세하게 레이저 구동 칩의 온도가 올라가므로 구동 칩의 굴절률이 미세하게 높아지며, 이에 따라서 광 경로의 길이가 길어지므로 공진기의 광학적 유효 길이도 길어지며, 결과적으로 광원이 발진하는 레이저의 주파수는 낮아지게 되며, 역으로 구동전류를 낮추면 광원이 발진하는 레이저의 주파수는 높아지게 된다.
따라서 광원이 공진기의 길이 제어가 불가능한 레이저 광원인 경우는 구동부(170)는 구동 칩의 구동전류를 높이거나 낮추는 방법으로 레이저 발진기의 발진 주파수를 제어할 수 있다.
이상의 구성을 포함하는 본 실시형태의 레이저 발진기(100)에 의하면 비교적 구성이 간단하고 비용이 저렴한 Mach-Zehnder 간섭계를 이용하여 10∼50㎑ 수준의 주파수 선폭으로 레이저 발진기의 발진 주파수 선폭을 제어할 수 있는 레이저 발진기를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 레이저 발진기를 광파이버 센서 시스템에 이용하는 이용 예에 대해서 설명한다.
광파이버 센서 시스템은 예를 들어 제조장치 내의 온도나 습도와 같은 환경관리, 건조물의 화재 감시와 같은 방재관리, 교량이나 철도의 구조물 감시나 장거리 부설 와이어로프의 변형 감시와 같은 인프라 감시 등 매우 다양한 용도에 사용되고 있다.
이와 같은 광파이버 센서 시스템은 감시 대상에 광을 조사하는 광 조사수단으로서의 광원과, 광원에서 출사하는 광을 감시 대상에 전송하는 광 전송부와, 예를 들어 온도나 변형 또는 진동 등과 같은 감시 대상의 상태 변화에 의해 발생하는 광의 변화를 감지하는 센싱부와, 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부 및 수광부에 의해 수신된 광으로부터 예를 들어 측정환경의 온도의 변화, 변형의 발생, 진동의 발생 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
이때, 본 발명의 레이저 발진기를 상기 광파이버 센서 시스템의 상기 광원으로 사용할 수 있다.
광파이버 센서 시스템이 DAS(Distributed Acoustic Sensing)인 경우에는 센싱부로 광파이버를 사용한다.
이상 본 발명을 상기 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 발명의 범위 내에서 다양한 변경 또는 변형 실시가 가능하다.
100 레이저 발진기
110 광원
130 위상 측정부
150 위상오차 검출부
170 구동부

Claims (5)

  1. 레이저 발진기로,
    레이저를 발진하는 광원과,
    상기 광원이 발진하는 레이저의 위상을 측정하는 위상 측정부와,
    상기 위상 측정부가 측정한 위상과 미리 정해진 위상 값인 기준 위상과의 비교에 의해 위상 오차를 구하는 위상오차 검출부와,
    상기 위상오차 검출부가 구한 위상 오차를 전류 값으로 변환하여 상기 광원에 출력하는 구동부를 포함하는 레이저 발진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위상 측정부는,
    상기 광원이 출력하는 레이저의 일부를 이용하여 간섭신호를 생성하는 간섭부와,
    상기 간섭신호를 전기신호로 변환하여, 상기 전기신호로부터 상기 광원이 발진하는 레이저의 위상 값을 얻는 광전 변환부를 포함하고,
    상기 간섭부는 Mach-Zehnder 간섭계인 레이저 발진기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 위상 측정부의 출력 위상이 상기 기준 위상보다 크면 상기 광원이 발진하는 레이저의 주파수를 낮추도록 상기 광원을 제어하고,
    상기 위상 측정부의 출력 위상이 상기 기준 위상보다 작으면 상기 광원이 발진하는 레이저의 주파수를 높이도록 상기 광원을 제어하는 레이저 발진기.
  4. 감시 대상에 광을 조사하는 광원과,
    상기 감시 대상의 상태 변화에 의해 상기 광원에서 조사된 광의 변화를 감지하는 센싱부와,
    상기 센싱부에서 변화한 광을 수신하는 수광부와,
    상기 수광부에 의해 수신된 광으로부터 상기 감시 대상의 상태 변화를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 광원은 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 레이저 발진기인 광파이버 센서 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광파이버 센서 시스템은 결맞음 방식 라이다(Coherent LiDAR), 분포형 광파이버 음파검출장치(Distributed Acoustic Sensing : DAS), 또는 레이저 진동측정기(Laser Doppler Vibrometer) 중 어느 하나인 광파이버 센서 시스템.
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