KR100232635B1 - 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 가공장치의 가시광 지시용 레이저(1)와, 지시용 레이저를 가공용 레이저와 광경로를 일치하게 하여 레이저 전송 광섬유로 입사시키는 광섬유 연결장치 광학계(6)로 이루어진 광섬유 연결장치에 관한 것으로 특히, 광섬유를 왕복한 후 광섬유 출사 단면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저의 세기를 측정하는 광검출기(8)와, 지시용 레이저의 출력을 측정하는 광검출기(9)와, 지시용 레이저가 광섬유에 입사되기 전에 편광을 유지시 켜 주고 광섬유 면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저를 편광 성분별로 분리하여 검출하기 위한 편광 빔분할기(4), 및 상기 지시용 레이저의 출력을 측정하는 광검출기(9)와 광섬유 단면에서 반사하여 돌아오는 레이저의 세기를 측정하는 광검출기(8)의 신호를 비교/처리하여 기 설정된 임계범위를 벗어나는 경우 광섬유 전송 상태의 이상을 출력하여 주는 신호처리 장치(10)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유상태 감시장치를 제공하면, 레이저 용접에 사용하는 전송용 광섬유 연결 장치와 지시용 레이저를 이용하여, 광섬유의 양끝단에서 반사된 레이저빔을 편광자(polarizer)를 사용하여 선별적으로 측정함으로써, 광섬유의 파손 및 오염상태를 실시간으로 감시할 수 있다.
Description
본 발명은 고출력 레이저 가공시에 레이저 전송용 광섬유의 파손상태를 실시간으로 감시하기 위한 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 가공기술은 광섬유 장거리 전송에 의한 원격가공이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 대부분의 레이저 원격가공은 레이저 전송 광섬유를 사용하여 레이저 발진장치에서 나오는 레이저 광을 실제 가공작업 공간으로 전송하여 이루어지는데, 가공중에 광섬유의 상태에 문제가 발생할 경우 고출력 레이저 광이 광경로를 벗어나 가공 광학계의 파손을 일으킬 뿐만 아니라 작업자의 안전에도 치명적인 손상을 일으킬 수 있게된다.
따라서, 광섬유를 이용한 레이저 원격가공에서 레이저 전송 광섬유 상태의 실시간 감시는 매우 중요하지만, 대부분의 레이저 가공 헤드부는 협소한 공간이나 방사능 구역등 악조건에 설치되는 경우가 많아 감시가 쉽지 않다는 문제점이 발생되었다.
또한, 레이저 전송 광섬유를 감시하는 기존의 광학적 방법으로는 광섬유 연결장치(fiber coupler) 옆에 별도의 광검출기를 장치하여 반사되어 나오는 광신호를 비교하는 방법, 전송 광섬유 옆에 감시를 위한 별도의 광섬유를 추가로 설치하여 클래딩(cladding)으로 새어 나오는 레이저를 측정하여 정렬 및 파손여부를 감시하는 방법등이 있다.
고출력 레이저의 광섬유 전송을 통한 원격가공 기술은 1980년대에 이르러 확산되기 시작하였으며, 광섬유 감시기술도 이와 함께 개발되기 시작하였다. 그러나, 작업 공간에 별도의 장치를 설치하기 어렵다는 제한점으로 인해 현재까지도 확실한 광섬유 감시기술이 마련되지 못하고 있다. 레이저 원격가공에서의 광섬유 감시는 광섬유 광학계를 사용하는 원격 감시개념으로 몇가지 방법이 개발되었다. 가공용 고출력 레이저 전송 광섬유를 감시하는 기존의 광학적 방법으로는 미국특허 4,812,641(HIGH POWER OPTICAL FIBER FAILURE DETECTION SYSTEM)에서와 같이 광섬유 연결장치(FIBER COUPLER) 장치 옆에 별도의 광검출기(PHOTO-DETECTOR)를 장치하여 광섬유에 입력되는 레이저 광의 세기와 광섬유로부터 출력되는 레이저 광의 세기를 측정/비교하여 광섬유의 건전성과 광학계 정렬상태를 감시하는 방법이 있다. 이 방법은 기본적으로 광섬유의 전송도를 측정하여 광섬유의 건전성을 감시하는 원리를 이용하고 있다. 또, 미국특허 5,319,195(LASER SYSTEM METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING A MATERIAL PROCESSING OPERATION AND FOR INDICATIONG THE STATE OF THE OPERATION)에서는 레이저 전송 광섬유 옆에 별도의 감시용 광섬유를 붙여 CLADDING으로 새어 나오는 레이저 광을 측정하여 정렬상태 및 파손여부를 감시하는 방법을 발명하였다. 하지만 이런 방법들은 가공용 전송 광섬유외에 감시를 위한 별도의 광섬유 광학계를 설치해야 한다는 복잡성으로 사용에 많은 제약이 있으므로, 기존에 개발된 광섬유의 실시간 감시기술은 대부분 별도의 광섬유 광학계를 추가로 장치하는등 구성이 복잡하여 실제 현장적용에 어려움이 많았고, 보편화 되지 못하였다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 레이저 용접에 사용하는 전송용 광섬유 연결 장치와 지시용 레이저를 이용하여, 광섬유의 양끝단에서 반사된 레이저빔을 편광자(polarzer)를 사용하여 선별적으로 측정함으로써, 광섬유의 파손 및 오염상태를 실시간으로 감시할 수 있는 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치를 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명에서는 감시 광학계에 편광 빔분할기(polarizing beamsplitter)를 도입하여 전송 광섬유 끝단의 양면(입사부와 출력부)에서 반사되는 지시용 레이저 신호를 분리하여, 광섬유 출력면에서 반사하여 광섬유를 왕복하열 돌아오는 레이저 신호만을 측정함으로써 S/N 비가 높은 신호를 얻을 수 있는 방법을 제안하였다. 또, 이 방법은 레이저전송 광섬유를 감시하기 위해 별도의 광섬유를 따로 설치하여야 하는 번거로움이 없으며, 광섬유 연결장치에 편광 빔분할기 등의 몇가지 광학부품을 설치함으로서 광섬유의 파손 및 오염 여부를 실시간 감시할 수 있도록 한다.
도1은 광섬유 상태 감시장치 구성도
도2는 편광 빔분활기를 사용한 감시용 레이저신호의 측정 원리도
도3은 광섬유 끝단에 불순물이 묻었을때의 감시신호 측정결과
도4는 광섬유 끝단에 불순물이 묻었을때의 감시신호 측정결과
도5는 광섬유가 휘어져 절단될때의 감시신호 측정결과
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 지시용 레이저2 : 빔 분활기
3 : 빔 확대기4 : 편광 빔 분할기
5 : 대역필터6 : 광섬유 연결장치
7 : 집속렌즈8, 9 : 광검출기
10 : 신호처리장치11, 12 : 광섬유
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 레이저 가공장치의 가시광 지시용 레이저(1)와, 지시용 레이저를 가공용 레이저와 광경로를 일치하게 하여 레이저 전송 광섬유로 입사시키는 광섬유 연결장치 광학계(6)로 이루어진 광섬유 연결장치에 있어서:
광섬유를 왕복한 후 광섬유 출사 단면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)와, 지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와, 지시용 레이저가 광섬유에 입사되기 전에 편광을 유지시 켜 주고 광섬유 면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저를 편광 성분별로 분리하여 검출하기 위한 편광 빔분할기(4), 및 상기 지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와 광섬유 단면에서 반사하여 돌아오는 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)의 신호를 비교/처리하여 기 설정된 임계범위를 벗어나는 경우 광섬유 전송 상태의 이상을 출력하여 주는 신호처리 장치(10)로 구성되는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 편광 빔분할기(4)는 편광 방향이 전송 광섬유의 입사면에서 반사된 지시용 레이저는 투과하고, 전송광섬유의 출사면에서 반사된 지시용 레이저는 일부는 투과하고 일부는 반사하게 구성되어, 광섬유 단면에서 반사된 지시용 레이저를 검출하는 광검출기에서는 광섬유 출사면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저만을 검출하도록 구성되는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부가적인 특징으로 상기 신호처리 장치(10)는 광섬유 출사 단면에서 반사되어 오는 지시용 레이저가 가공 시편에서 반사 또는 산란되어 오는 빛과 섞여서 광섬유 단면에서 반사하여 오는 레이저 신호 만을 분별하여 측정하기 어려울 경우, 지시용 레이저의 출력세기를 일정 주파수로 변조시키고 측정한 레이저 신호에서 그 주파수 성분만을 처리함으로서, 가공시편에서 오는 광신호의 잡음효과를 제거하는 데 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 광섬유 파손 및 면상태 감시를 위한 구성한 광섬유 연결장치와 신호측정 장치 구성도로서, 레이저 가공장치의 가시광 지시용 레이저(1)와, 지시용 레이저를 가공용 레이저와 광경로를 일치하게 하여 레이저 전송 광섬유로 입사시키는 광섬유 연결장치 광학계(6)로 이루어진 광섬유 연결장치와, 지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와, 지시용 레이저가 광섬유에 입사되기 전에 편광을 유지시 켜 주고 광섬유 면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저를 편광 성분별로 분리하여 검출하기 위한 편광 빔분할기(4)와, 광섬유를 왕복한 후 광섬유 출사 단면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)와, 두 개의 광검출기로 측정한 지시용 레이저 세기신호를 처리하는 신호처리 장치(10)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치의 동작을 살펴보면, 발진기에서 나온 가공용 레이저는 제 1 광섬유(11)로 전송되어 광섬유 연결장치(6)에서 가공시편 안으로 삽입되는 다른 제 2 광섬유(12)로 전송된다. 이 단계에서 광섬유에 입사되는 지시용 레이저(보통 가시광 다이오드레이저를 사용함)(1)와 광섬유를 왕복하고 돌아오는 광섬유 출사면에서 반사되는 지시용 레이저의 세기를 측정한다. 이 두신호를 비교함으로써 광섬유 광학계의 상태 감시가 가능하다.
이때, 일반적으로 고출력 레이저 전송용 광섬유는 4개의 층으로 되어 있는바, 가장 안 층은 광섬유 코어(core)부이며, 바로 바깥은 클래딩(Cladding)부이고, 그 바깥은 버퍼층이며, 또 버퍼층 바깥 부분에는 보호 튜브가 입혀져 있다. 광섬유의 코어 부분은 고순도 수정유리(silica glass) 재질로 만들어져 있는데, 굴절율이 클래딩부 보다 커서 레이저 빛일 내부 전반사에 의해 클래딩 부로 나가지 않고 코어를 따라 전송하게 된다. 버퍼 부분의 굴절율은 클래딩 부보다 크모로, 빛이 클래딩 부를 통해 코어를 빠져나가게 되면 버퍼층을 통해 전송되는데, 이러한 비정상적인 전송은 많은 문제를 야기시킨다. 광섬유가 파손되거나 면에 불순물이 있는 경우나 정렬이 안된 경우 빔이 코어를 빠져나가 버퍼 층을 타고 가게 되며, 따라서, 코어부의 레이저 신호가 감쇄된다.
그러므로, 본 장치에서는 이 코어부의 레이저 신호를 입력 신호와 비교함으로써 전송상태를 감시한다. 또한, 본 장치는 레이저 앞의 편광 빔분할기(polarizing beamsplitter)를 설치하여 광섬유 출력면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저 빔의 세기만을 측정한다.
상기와 같이 동작하는 편광 빔분활기를 사용한 감시용 레이저신호의 측정 원리를 첨부한 도2를 참조하여 살펴보면, 가로 방향으로 편광된 빔이 광섬유 단면으로 입사되면 광섬유의 입사면과 출사면에서 일부 반사되어 되돌아오게 된다. 광섬유 입사면에서 반사된 빔은 편광 상태가 가로방향으로 유지되어 있으므로 편광빔분활기(4)를 그냥 통과하여 제 1 광검출기(8)롤 검출되지 않으나, 광섬유 출사면에서 반사된 빔은 편광이 깨어져 돌아오므로 편광 빔분할기에서 일부(1/2정도) 반사하여 제 1 광검출기(8)로 검출된다.
이 신호는 광섬유를 왕복한 레이저 빔이므로 광섬유 상태에 대한 정보를 가지고 있다. 즉, 제안된 구성은 편광 광학부품을 도입하여 광섬유 입사면에서의 신호를 제거하고, 광섬유의 상태에 관한 정보를 가지고 있는 광섬유 출구면에서 반사된 신호만을 선별적으로 검출함으로써 신호의 신호대 노이즈 비(S/N 비 ; signal to noise ratio)를 2배 이상 높여 광섬유 상태를 감시하게 된다.
이때, 레이저 가공에 많이 사용되는 레이저는 Nd:YAG 레이저나 CO2 레이저로서 파장이 적외선 영역이기 때문에 육안으로 보이지 않는다. 따라서, 레이저 가공 작업에서는 광학계의 정렬과 작업위치의 선정을 위하여 가시광 영역의 파장을 가진 지시용 레이저를 가공용 레이저와 광경로를 일치시켜 설치/사용한다.
즉, 광섬유로 전송되어 광섬유 출구면에서 반사되어 돌아오는 레이저 신호를 측정하여 광섬유 전송상태를 감시하는데, 편광자를 도입한 본 구성에서는 광섬유 입사면에서 반사되는 레이저는 제거하고 출사면에서 반사되는 레이저 신호만 선별적으로 측정함으로써 감시 신호의 S/N 비를 2배 이상 높일수 있다.
본 발명은 편광 광학부품을 도입하여 광섬유 입사면에서 반사되는 지시용 레이저신호를 제거하고, 광섬유의 전송상태에 관한 정보를 가지고 있는 광섬유 출구면에서 반사된 지시용 레이저 신호만을 선별적으로 검출함으로써 신호의 S/N 비를 2배 이상 높여 광섬유 상태를 감시하게 된다.
본 발명의 장치는 실제로 실험을 통하여 활용성을 확인하였다. 실험은 코어(core) 직경 800um의 step index 고출력 레이저 전송용 광섬유를 사용하였으며, 광섬유 끝단에 물 등의 불순물이 있을 경우와 광섬유가 파손되었을 경우의 감시결과를 얻어, 광학계의 실시간 감시가 가능함을 증명하였다.
즉, 본 발명의 활용성을 입증하기 위해 고출력 Nd:YAG 레이저 전송용 광섬유와 지시용 레이저(5mW, 633nm)를 사용하여 광섬유 손상 감시 실험을 하였다. 또한, 지시용 레이저의 출력에 무관하게 상태감시가 가능함을 확인하기 위해 지시용 레이저의 출력을 변조시키면서도 실험하였다. 코어 지름이 800um인 미쓰비시 사의 광섬유(diaguide ST series step index MRT # ST800G-SY)를 사용하였으며, 광검출기는 PIN 포토-다이오드(photo-diode)를 사용하였고, 지시용 레이저를 선택적으로 추출하기 위해 반치폭(FWHM)이 10nm인 대역필터를 사용하였다. 본 실험에서의 레이저 신호는 디지털 오실로스코프(lecroy 9304A)로 처리하였다.
도 3은 광섬유 끝단에 물이 묻었을때의 감시신호 측정실험 결과이다.
그림에서 ch.1은 레이저 입력신호이고, ch.2는 광섬유를 투과하여 반사되어 돌아오는 신호이며, ch.D는 두 신호의 비(신호2/신호1)로 실제 감시 신호이다. 신호 초기의 큰 변화는 광섬유 출력단면에 물이 묻은 순간이고, 중간의 요동은 광섬유 끝단의 물을 압축공기로 불어내는 과정에서 레이저 반사율의 심한 변화를 보여 준다.
도 4는 일벽되는 지시용 레이저의 세기를 변조시켰을 경우의 측정결과로, 입력신호와 출력신호가 일정치 않게 실제 감시신호의 출력을 sine 파형으로 변조시켜 실험한 것으로 변조를 하지 않은 도 3의 결과와 동일하다. 이러한 특성은 지시용 레이저 신호가 다른 잡신호와 섞일 경우, 예를들어 가공 시편에서 발생하는 플라즈마에 의한 광신호들과 섞일 경우, 지시용 레이저의 세기를 특정 주파수로 변조한 후 그 주파수의 신호만을 측정하는 방법으로 잡신호를 제거하는데 사용할 수 있다.
도 5는 레이저 전송 광섬유가 구부러지다 부러질때의 감시신호 측정결과이다. 광섬유가 구부러지는 과정에서 신호의 감쇄의 나타남을 볼 수 있으며, 부러진 후의 신호감쇄도 명확히 나타난다. 이 실험 결과에서 본 감시장치는 레이저 가공부의 광섬유 오염여부나, 레이저 전송 광섬유의 손상 여부를 감지할 수 있음을 보여준다.
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치를 제공하면, 레이저 용접에 사용하는 전송용 광섬유 연결 장치와 지시용 레이저를 이용하여, 광섬유의 양끝단에서 반사된 레이저빔을 편광자(polarzer)를 사용하여 선별적으로 측정함으로써, 광섬유의 파손 및 오염상태를 실시간으로 감시할 수 있다.
Claims (3)
- 레이저 가공장치의 가시광 지시용 레이저(1)와, 지시용 레이저를 가공용 레이저와 광경로를 일치하게 하여 레이저 전송 광섬유로 입사시키는 광섬유 연결장치 광학계(6)로 이루어진 광섬유 연결장치에 있어서:광섬유를 왕복한 후 광섬유 출사 단면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)와;지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와;지시용 레이저가 광섬유에 입사되기 전에 편광을 유지시 켜 주고 광섬유 면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저를 편광 성분별로 분리하여 검출하기 위한 편광 빔분할기(4); 및상기 지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와 광섬유 단면에서 반사하여 돌아오는 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)의 신호를 비교/처리하여 기 설정된 임계범위를 벗어나는 경우 광섬유 전송 상태의 이상을 출력하여 주는 신호처리 장치(10)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유상태 감시장치.
- 제1항에 있어서, 상기 편광 빔분할기(4)는 편광 방향이 전송 광섬유의 입사면에서 반사된 지시용 레이저는 투과하고, 전송광섬유의 출사면에서 반사된 지시용 레이저는 일부는 투과하고 일부는 반사하게 구성되어, 광섬유 단면에서 반사된 지시용 레이저를 검출하는 광검출기(8)에서는 광섬유 출사면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저만을 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 상태 감시장치.
- 제1항에 있어서, 상기 신호처리 장치(10)는 광섬유 출사 단면에서 반사되어 오는 지시용 레이저가 가공 시편에서 반사 또는 산란되어 오는 빛과 섞여서 광섬유 단면에서 반사하여 오는 레이저 신호 만을 분별하여 측정하기 어려울 경우, 지시용 레이저의 출력세기를 일정 주파수로 변조시키고 측정한 레이저 신호에서 그 주파수 성분만을 처리함으로서, 가공시편에서 오는 광신호의 잡음효과를 제거하는 것을 특징으로 하는 광섬유 상태 감시장치.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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Country Status (1)
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1997
- 1997-05-29 KR KR1019970021759A patent/KR100232635B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Publication date |
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