KR100424476B1 - Apparatus for measuring residual stress of optical fiber preform - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치에 관한 것으로, 여러 각도에서 광이 광섬유 모재를 투과하도록 하나의 광원에서 광을 분기시키는 분배기(splitter)와, 광섬유 모재를 투과한 이후 간섭을 일으킬 수 있도록 광을 모아주는 장치 및 광의 경로가 달라질 경우 이를 보정하기 위한 광경로 변환기(retarder)를 구비하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an apparatus for measuring the residual stress of an optical fiber base material, a splitter for splitting light from one light source so that light passes through the optical fiber base material at various angles, and the optical fiber base material to cause interference after passing through the optical fiber base material. It is characterized in that it comprises a light path converter (retarder) for compensating for the device and the path of the light is changed.
Description
본 발명은 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치에 관한 것으로, 특히 여러 각도에서 광섬유 모재의 잔류 응력을 측정하기 위한 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring the residual stress of an optical fiber base material, and more particularly, to an apparatus for measuring the residual stress of an optical fiber base material for measuring the residual stress of an optical fiber base material at various angles.
광섬유의 생산과정인 고온의 인출공정에서 발생되는 응력이 제작된 후 제거되지 못하고 일부가 광섬유 안에 남아있게 되는데, 이를 잔류 응력(residualstress)이라고 한다. 이러한 잔류 응력은 광섬유의 광 산란에 의한 광손실을 증가시키고, 광탄성(photoelastic) 효과에 의해 굴절률 변화를 일으키게 된다. 따라서, 이러한 광섬유 내의 잔류 응력의 분포와 그 크기를 정확하게 측정하고 최적으로 조절하는 기술이 필요하다.The stress generated in the hot drawing process, which is the production process of the optical fiber, cannot be removed after it is manufactured, and some remain in the optical fiber, which is called residual stress. This residual stress increases the optical loss due to light scattering of the optical fiber, and causes a refractive index change by the photoelastic effect. Therefore, there is a need for a technique for accurately measuring and optimally controlling the distribution and magnitude of residual stress in such optical fibers.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치의 개략적 구성도이고, 도 2는 빛의 진행경로에 따른 위상변화를 나타내는 도면으로, 이를 참조하여 종래 일반적인 광섬유 모재의 잔류 응력 측정원리 및 장치를 설명하면 다음과 같다.1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring residual stress of an optical fiber base material according to the prior art, and FIG. 2 is a view illustrating a phase change according to a light propagation path. When described as follows.
도 1을 참조하면, 헬륨-네온 레이저 등의 광원(10)에서 나온 레이저광이 전면파 발생을 위한 렌즈(20, 30)를 통과한 후 거울(40)에 반사되어 편광기(50)에 입사된다. 편광기(50)를 통과한 광은 집속렌즈(60)를 거쳐 광섬유 모재(70)에 입사된다. 모재(70)를 통과한 광은 편광기(80), 애널라이저(90)를 차례로 거치면서 광의 세기로 바뀌어 감지기(100)에 의해 검출된다. 그런데, 광섬유 모재(70)를 통과한 광이 모재 내부의 응력 분포에 따른 위상차를 가지게 되므로 감지기(100)에 검출되는 광의 세기 차이를 통해 모재 내의 응력 분포를 알 수 있게 된다.Referring to FIG. 1, laser light emitted from a light source 10 such as a helium-neon laser passes through the lenses 20 and 30 for generating a front wave, and is reflected by the mirror 40 to be incident on the polarizer 50. . Light passing through the polarizer 50 is incident on the optical fiber base material 70 through the focusing lens 60. The light passing through the base material 70 passes through the polarizer 80 and the analyzer 90 in order to be converted into the light intensity and detected by the detector 100. However, since the light passing through the optical fiber base material 70 has a phase difference according to the stress distribution inside the base material, the stress distribution in the base material can be known through the difference in the intensity of light detected by the detector 100.
이를 식으로 살펴보면 다음과 같다.This is as follows.
이때, x 축에 평행하게 입사한 빛은 도 2에 도시된 바와 같이 각각 y, z 축방향의 서로 수직인 빛으로 나누어 볼 수 있으며 입사광의 위상 변화는 다음과 같다.At this time, the light incident in parallel to the x-axis can be divided into the light perpendicular to each other in the y, z-axis direction as shown in Figure 2 and the phase change of the incident light is as follows.
따라서 잔류 응력에 의해 발생하는 위상차는 광탄성효과에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the retardation caused by the residual stress can be expressed as follows by the photoelastic effect.
전체적인 잔류 응력과 광탄성효과에 대한 프로파일은 다음과 같이 얻어진다.The profile of the overall residual stress and the photoelastic effect is obtained as follows.
상기 식에서 C0는 용융 실리카의 광탄성 계수(photoelastic coefficient of fused silica)를 나타내며, 상기 식을 적용할 수 있는 조건은 다음과 같다.In the above formula, C 0 represents the photoelastic coefficient of fused silica, and the conditions under which the above formula can be applied are as follows.
1. 입사광이 광섬유 모재 내부를 경로변화 없이 일직선으로 지나간다.1. The incident light passes straight inside the optical fiber base without changing the path.
2. 입사방향 즉, 지름방향으로 브루스터 계수(Brewster coefficient)가 일정해야 한다(재료조성이 일정하여 복굴절이 일어나지 않음. 따라서 잔류 응력에 의해서만 위상변화가 일어남)2. The Brewster coefficient should be constant in the direction of incidence, that is, in the radial direction (the birefringence does not occur because the material composition is constant. Therefore, the phase change only occurs due to residual stress)
3. 반지름 및 각도에 대한 잔류 응력은 축방향 응력에 비해 무시할 만하다.3. Residual stresses for radius and angle are negligible compared to axial stresses.
일반적으로 모재 오버-재키팅(over-jacketting) 공정의 경우 인장에 의한 응력보다는 1차 모재와 2차 튜브가 접합되는 과정에서 각도에 따른 응력의 차이가 나타난다.In general, in the case of a base material over-jacketting process, a stress difference according to an angle appears in the process of joining a primary base material and a secondary tube rather than a tensile stress.
그러나, 전술한 종래방법은 모재의 각도에 따른 잔류 응력에 대해서는 고려 하고 있지 않아, 광섬유 내의 잔류 응력의 분포와 그 크기를 정확히 측정하는데 어려움이 따른다.However, the above-described conventional method does not consider the residual stress according to the angle of the base material, which makes it difficult to accurately measure the distribution and the magnitude of the residual stress in the optical fiber.
따라서, 본 발명의 목적은 여러 각도에서 모재의 응력 불균일성을 측정함으로써 인출된 광섬유의 광 특성과 모재 상태에서의 잔류 응력 불균일성과의 관계를 파악할 수 있는 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a residual stress measuring apparatus of an optical fiber base material which can grasp the relationship between the optical properties of the drawn optical fiber and the residual stress nonuniformity in the base material state by measuring the stress nonuniformity of the base material at various angles.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원을 N개로 분기시키는 광 분배기와; 상기 광 분배기를 통해 분기된 광이 서로 다른 각도에서 광섬유 모재를 투과하도록 분기된 각각의 광의 경로를 변화시키는 M개의 제1 광경로 변환기와; 상기 광 분배기와 제1 광경로 변환기를 거친 각각의 광을 광섬유 모재에 원하는 입력 편광으로 입사되도록 상기 각각의 광의 편광을 변화시키는 N개의 제1 편광기와; 상기 편광기를거친 광을 상기 광섬유 모재에 집속시키는 N개의 광 집속렌즈와; 상기 광섬유 모재의 잔류 응력에 따른 통과광의 위상차를 광세기로 변환시키기 위해 상기 광섬유 모재의 다음 단에 위치하는 N개의 제2 편광기 및 N 개의 애널라이저와; 상기 각각의 애널라이저를 통과한 광의 경로가 서로 다를 경우 이를 보정하기 위해 광 경로를 변환시키는 L개의 제2 광경로 변환기와; 상기 제2 광 경로 변환기를 통과한 광을 집속하는 광 집속기; 및 상기 광 집속기에 의해 집속된 광의 세기를 전기신호로 변환하는 광 감지기를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the residual stress measuring apparatus of the optical fiber base material according to the present invention includes a laser light source; A light splitter for splitting the laser light source into N pieces; M first optical path transducers for changing the paths of the respective branched light beams so that the light branched through the light splitter passes through the optical fiber base material at different angles; N first polarizers for varying the polarization of each light such that each light passing through the optical splitter and the first optical path converter is incident on the optical fiber base material with a desired input polarization; N light focusing lenses for focusing the light passing through the polarizer onto the optical fiber base material; N second polarizers and N analyzers located at the next stage of the optical fiber base material to convert the phase difference of the passing light according to the residual stress of the optical fiber base material into light intensity; L second optical path converters for converting the optical paths to correct the paths of the light passing through the respective analyzers when the paths of light are different from each other; An optical concentrator for focusing light passing through the second optical path transducer; And an optical sensor for converting the intensity of light focused by the optical concentrator into an electrical signal.
바람직하게는, 상기 N=2, M=1, L=2인 것을 특징으로 한다.Preferably, said N = 2, M = 1, L = 2.
바람직하게는, 상기 광섬유 모재는 매칭 오일로 채워진 원통형 관내에 삽입되어 위치하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the optical fiber base material is inserted into and positioned in a cylindrical tube filled with matching oil.
더욱 바람직하게는, 상기 레이저 광원과 광 분배기 사이에 전면파 발생 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.More preferably, further comprising a front wave generating lens between the laser light source and the light splitter.
도 1은 종래 기술에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치의 개략적 구성도,1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring residual stress of an optical fiber base material according to the prior art;
도 2는 빛의 진행경로에 따른 위상변화를 나타내는 도면,2 is a view showing a phase change according to the path of light progress;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치의 개략적 구성도.3 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring residual stress of an optical fiber base material according to one embodiment of the present invention;
우선, 본 발명의 기술적 원리는 다음과 같다.First, the technical principle of the present invention is as follows.
전술한 입사광의 위상변화를 나타내는 식Expression representing the phase change of the incident light described above
에서 축방향 변위를 무시할 수 있다고 가정한다면, 입사광의 경로변환(retardation) 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.Assuming that the axial displacement can be neglected at, the retardation of the incident light can be expressed as
따라서, 모재에 여러 각도에서 동일한 위상의 빛을 입사시켜 하나의 측정장치로 측정을 한다면, 서로의 간섭에 의해 빛의 세기가 달라지고 이는 모재의 잔류응력 차이와 정확히 일치한다.Therefore, when light of the same phase is incident on the base metal at different angles and measured by one measuring device, the intensity of light is changed by interference with each other, which is exactly the difference between residual stresses of the base metal.
측정장비는 일반적으로 통용되는 잔류 응력 측정장비와 원리상 동일하다. 다만 여러 각도에서 광이 광섬유 모재를 투과하도록 하나의 광원에서 빛을 분리시키는 광분배기(splitter)와, 광섬유 모재를 투과한 이후 간섭을 일으킬 수 있도록 빛을 모아주는 장치 및 경로가 달라질 경우 이를 보정해 주기 위한 광경로 변환기(retarder)가 추가로 구성된다.The measuring equipment is the same in principle as the commonly used residual stress measuring equipment. However, a splitter that separates light from one light source to allow light to pass through the optical fiber base material at various angles, and a device that collects light so as to cause interference after passing through the optical fiber base material is corrected. An optical path retarder for giving is further configured.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying Figure 3 a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. In describing the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치의 개략적 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of an apparatus for measuring residual stress of an optical fiber base material according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 레이저 광원(10)에서 나온 광은 전면파 발생 렌즈(20, 30)를 거쳐 광 분배기(300)에 입사된다. 광 분배기(300)에 의해 2개로 분기된 광 중하나(310)는 원하는 입력 편광으로 입사되도록 광의 편광을 변화시키는 편광기(50)와 편광기를 통과한 광을 집광하기 위한 집광렌즈(60)를 차례로 거친 후 광섬유 모재(70)에 입사된다. 분기된 광 중 나머지 하나(311)는 광경로 변환기(320)를 거쳐 거울(40)에 반사된 후 편광기(51) 및 집속렌즈(61)를 차례로 거친 후 광섬유 모재에 입사된다. 이때, 광경로 변환기(320)는 광 분배기(300)에 의해 분기된 광이 서로 다른 각도에서 광섬유 모재를 투과하도록 분기된 광의 경로를 변화시킨다. 본 실시예에서는 광 분배기에 의해 광이 2개로 분기되는 경우를 예로 들어 설명하나, 분기되는 광의 수는 필요에 따라 N개로 확장할 수 있다.Referring to FIG. 3, light emitted from the laser light source 10 is incident on the light splitter 300 through the front wave generating lenses 20 and 30. One of the two light beams 310 divided by the light splitter 300 sequentially rotates the polarizer 50 for changing the polarization of the light to be incident to the desired input polarization and the condenser lens 60 for condensing the light passing through the polarizer. After roughing, the light is incident on the optical fiber base material 70. The other one of the branched light 311 is reflected by the mirror 40 through the optical path converter 320, and then passes through the polarizer 51 and the focusing lens 61 and then enters the optical fiber base material. In this case, the optical path converter 320 changes the path of the split light so that the light split by the light splitter 300 passes through the optical fiber base material at different angles. In this embodiment, a case in which light is split into two by the light splitter is described as an example, but the number of split light can be extended to N as needed.
또한, 광섬유 모재(70) 혹은 장비 전체를 회전시킬 경우 측정위치 즉, 레이저 광이 한 점으로 모아지는 부분(P)이 움직일 수 있다. 따라서 이를 보정해주기 위해서는 모재를 회전시킬 경우 정밀한 제어가 가능한 스태틱 모터(static motor)와 모재 정렬(align) 장비가 필요하다.In addition, when the optical fiber base material 70 or the whole equipment is rotated, the measuring position, that is, the portion P where the laser light is collected at one point may move. Therefore, in order to compensate for this, a static motor and a material alignment device that can precisely control the base material when rotating the material are required.
다른 방법으로 원통형 유리관을 이용할 수 있는데, 이 경우 매칭 오일(matching oil)을 사용한다. 이는 굴절률을 측정할 때 경로 보정 및 광이 공기나 기타 측정 광섬유 모재보다 굴절률이 낮은 매질에서 모재로 입사할 때 반사나 굴절에 의해 잘못된 값을 측정하지 않도록 하기 위함이다. 만일 모재를 회전시키는 경우, 매칭 오일도 측정조건의 하나이므로 모재와 같이 회전하지 않으면 측정조건이 달라지므로 원통형 관내에 매칭 오일을 채우고 모재를 그 안에 넣어 돌릴 필요가 있다. 유리관은 석영(quartz) 재질의 한쪽이 막힌 원통형이며, 모재와 매칭 오일을 넣은 후 관 내부에서 움직이지 않도록 마개가 필요하다.Alternatively, cylindrical glass tubes can be used, in which case matching oil is used. This is to ensure that when measuring the refractive index, the path correction and light do not measure the wrong value by reflection or refraction when the light enters the substrate in a medium with a lower refractive index than air or other measured fiber optic substrate. If the base material is rotated, the matching oil is also one of the measurement conditions, so if it is not rotated together with the base material, the measurement conditions are different. Therefore, it is necessary to fill the matching oil in the cylindrical tube and put the base material in it. The glass tube is a cylindrical one-sided block of quartz material and needs a stopper to prevent movement inside the tube after the base material and the matching oil are added.
다시 도 3을 참조하면, 광섬유 모재(70)를 통과한 각각의 광(310, 311)은 응력 또는 굴절률 차이에 기인한 위상차 정보를 가진 채 편광기(80, 81) 및 애널라이저(90, 91)를 차례로 통과하면서 서로의 간섭에 의해 광의 세기가 달라지고 이는 모재의 잔류 응력 차이와 정확히 대응된다.Referring back to FIG. 3, each of the lights 310, 311 passing through the optical fiber base material 70 may move the polarizers 80, 81 and analyzers 90, 91 with phase difference information due to stress or refractive index differences. As they pass through each other, the intensity of light is changed by mutual interference, which corresponds exactly to the residual stress difference of the base material.
애널라이저(90, 91)를 통과한 광은 그 경로가 서로 다를 경우 광경로 변환기(330, 331)에 의해 경로차가 보정된 후 광 집속기(340)에 의해 집속된다.The light passing through the analyzers 90 and 91 is focused by the light concentrator 340 after the path difference is corrected by the optical path converters 330 and 331 when the paths are different from each other.
집속된 광은 광 감지기(100)에 의해 전기적 신호로 변환된다.The focused light is converted into an electrical signal by the light detector 100.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 모재의 잔류 응력 측정장치는 광섬유 모재에 여러 방향으로 광을 입사하여 모재의 응력 불균일성을 측정할 수 있다. 따라서, 광섬유 내의 잔류 응력의 분포와 그 크기를 정확하게 측정하도록 함으로써 인출된 광섬유의 광 특성과 모재 상태에서의 잔류 응력 불균일성과의 관계를 파악할 수 있다.As described above, the residual stress measuring apparatus of the optical fiber base material according to the present invention may measure the stress nonuniformity of the base material by injecting light into the optical fiber base material in various directions. Therefore, by accurately measuring the distribution and the magnitude of the residual stress in the optical fiber, it is possible to grasp the relationship between the optical properties of the drawn optical fiber and the residual stress nonuniformity in the matrix state.
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Also Published As
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|---|---|
| KR20040005253A (en) | 2004-01-16 |
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