KR101556952B1 - 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템 및 방법 - Google Patents

최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템은 시편에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생 장치; 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이의 위치에 배치되고, 상기 위치의 변경에 따라 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 렌즈; 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 트랜스듀서; 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 초음파 수신기; 및 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 상기 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정하는 신호 분석 장치를 포함한다.

Description

최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SELECTING OPTIMAL BEAM INTENSITY FOR ULTRASOUND EXCITATION WITH MAXIMUM AMPLITUDE}
본 발명의 실시예들은 어블레이션 영역(Ablation Regime)에서 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
재료 내부의 비파괴 평가에서 신호 대 잡음비가 높을수록 내부 결함 검출을 위한 신호 분석에 유리하다. 그러므로, 가능한 최대 크기의 초음파를 발생시켜 검사를 수행하는 것이 좋다. 일반적으로, 레이저의 빔 강도가 증가함에 따라 재료 표면에서 발생되는 초음파의 크기도 커질 것이라 예상하지만, 어블레이션 영역에서는 빔 강도 (Beam intensity, W/cm2)가 높아짐에 따라 플라즈마 쉴드의 형성으로 오히려 재료 표면으로 전달되는 빔 에너지가 감소하게 된다. 그러므로, 최대 크기의 초음파를 발생시키는 최적의 빔강도를 선정할 필요가 있다.
발생된 초음파의 크기를 가진(excitation) 반대면 혹은 동일 면상에서 투과 혹은 반사된 초음파의 크기를 측정하여 최대 크기의 초음파를 발생시키는 최적의 레이저 빔 강도를 찾을 수 있다. 하지만, 이 방법을 임의의 재료에 대해 적용하게 되면, 재료에 대한 정보가 없이 어느 부위에 결함이 존재하는지 모르기 때문에 상대적인 초음파의 크기비교를 통해 최적의 레이저 빔 강도를 선정하는 것이 쉽지 않다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 높은 레이저 빔 강도에서 플라즈마가 형성됨에 따라 동시에 공기 중으로 충격파 및 플라즈마파에 의해 전파되는 음향 노이즈를 마이크로폰으로 측정하여 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정할 수 있는 시스템 및 방법의 개발이 요청된다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0011662호(발명의 명칭: 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법, 공개일자: 2002년 2월 9일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 어블레이션 영역에서 레이저 초음파를 발생할 시, 최대 크기의 진폭을 갖는 초음파를 발생시키는 최적의 레이저 빔 강도를 선정할 수 있는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템은 시편에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생 장치; 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이의 위치에 배치되고, 상기 위치의 변경에 따라 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 렌즈; 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 트랜스듀서; 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 초음파 수신기; 및 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 상기 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정하는 신호 분석 장치를 포함한다.
상기 신호 분석 장치는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석하고, 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여 상기 최적 빔 강도를 선정할 수 있다.
상기 신호 분석 장치는 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 상기 시편에 조사되는 레이저 빔의 면적이 가장 좁아지는 상태를 나타내는 포커스 컨디션(focused condition)일 때의 렌즈 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출하고, 상기 추출된 위치에서의 레이저 빔의 강도를 상기 최적 빔 강도로서 선정할 수 있다.
상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치는 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치 중, 상기 포커스 컨디션일 때의 렌즈 위치를 기준으로 가장 근접한 위치인 것이 바람직하다.
상기 트랜스듀서는 마이크로폰인 것이 바람직하다.
상기 마이크로폰은 상기 플라즈마의 발생과 동시에, 충격파(shock wave) 및 플라즈마파(plasma wave)에 의해 공기 중으로 전파되는 상기 음향 노이즈를 측정할 수 있다.
상기 레이저 발생 장치는 어블레이션 영역(ablation regime)에서의 빔 강도를 사용하여 상기 레이저 빔을 조사할 수 있다.
상기 레이저 빔의 강도는 상기 레이저 빔의 파워(W), 및 상기 시편의 표면에 조사된 면적(cm2)에 기초하여 산출될 수 있다.
상기 렌즈는 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이에서 이동 가능하게 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법은 레이저 발생 장치에서, 시편에 레이저 빔을 조사하는 단계; 렌즈 위치 제어 장치에서, 상기 레이저 빔의 조사 시, 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이에서 렌즈의 이동을 통해, 상기 렌즈의 위치를 변경하여 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 단계; 트랜스듀서에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 단계; 초음파 수신기에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 단계; 및 신호 분석 장치에서, 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 상기 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정하는 단계를 포함한다.
상기 최적 빔 강도를 선정하는 단계는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석하는 단계; 및 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여 상기 최적 빔 강도를 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 상기 최적 빔 강도를 선정하는 단계는 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 상기 시편에 조사되는 레이저 빔의 면적이 가장 좁아지는 상태를 나타내는 포커스 컨디션(focused condition)일 때의 렌즈 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출하는 단계; 및 상기 추출된 위치에서의 레이저 빔의 강도를 상기 최적 빔 강도로서 선정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음향 노이즈를 측정하는 단계는 마이크로폰을 통해, 상기 플라즈마의 발생과 동시에, 충격파(shock wave) 및 플라즈마파(plasma wave)에 의해 공기 중으로 전파되는 상기 음향 노이즈를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔을 조사하는 단계는 어블레이션 영역(ablation regime)에서의 빔 강도를 사용하여 상기 레이저 빔을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 빔의 강도는 상기 레이저 빔의 파워(W), 및 상기 시편의 표면에 조사된 면적(cm2)에 기초하여 산출될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 어블레이션 영역에서 레이저 초음파를 발생할 시, 최대 크기의 진폭을 갖는 초음파를 발생시키는 최적의 레이저 빔 강도를 선정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 재료별로 최대 크기의 초음파를 발생시킬 수 있는 문턱치를 찾아 비파괴 평가에 적용함으로써, SNR(신호 대 잡음비)의 향상을 통해 재료 내부의 건전부와 결함 신호를 명확히 판별할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2는 렌즈 위치에 따른 대상체 표면에서의 레이저 빔 조사 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 초음파 신호와 마이크로폰으로 측정한 플라즈마파 신호의 차이를 나타낸 도면이다.
도 4는 마이크로폰으로 측정한 음향 노이즈의 신호 파형을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
재료 내부에 레이저를 조사하여 최대의 크기를 갖는 빔 강도를 선정하는데 있어 초음파의 세기를 일일이 측정하여 빔 강도를 선정할 수도 있다. 하지만, 산업현장에서 대상체의 내부 정보를 모를 경우, 균질하지 않은 재료 내부의 상태 및 결함 위치를 알지 못하는 상태에서 최대 크기의 초음파 강도를 갖는 빔 강도를 선정하는 데는 어려움이 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에서는 플라즈마의 발생 정도와 초음파의 발생 정도를 연관 지어 간접적으로 최적 빔 강도를 측정하는 시스템 및 방법을 제공한다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 빔을 조사하기 위해 고출력 펄스 레이저를 사용하고, 높은 빔 강도를 재료 표면에 조사하기 위해서 볼록 렌즈의 위치를 변경하여 빔 감도에 따른 레이저를 재료 표면에 조사하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서는 초음파 수신기로는 변위 측정기의 한 종류인 TWM(Two-wave mixing) 광굴절 간섭계를 사용하고, 플라즈마 생성에 의한 음향 노이즈를 측정하여 전기 신호로 변환하기 위한 트랜스듀서로서 마이크로폰을 사용하였다.
이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 어블레이션 영역에서 레이저 초음파를 발생할 시, 최대 크기의 진폭을 갖는 초음파를 발생시키는 최적의 레이저 빔 강도를 선정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 재료(시편) 별로 최대 크기의 초음파를 발생시킬 수 있는 문턱치를 찾아 비파괴 평가에 적용함으로써, SNR(신호 대 잡음비)의 향상을 통해 재료 내부의 건전부와 결함 신호를 명확히 판별할 수 있다
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예들에서 지속적으로 사용되는 용어인 어블레이션 영역에 대해 설명한다.
레이저를 이용한 비접촉식 초음파 발생 기법에서는 레이저의 빔 강도에 따라 열탄성 영역과 어블레이션 영역으로 구분할 수 있다. 열탄성 영역과 어블레이션 영역을 구분하는 빔 강도를 구분하는 식은 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112015013596611-pat00001
여기서 I c 는 어블레이션 영역으로 넘어가는 빔 강도, L은 잠열,
Figure 112015013596611-pat00002
는 밀도,
Figure 112015013596611-pat00003
는 레이저 빔의 펄스 간격이다.
상기 열탄성 영역에서는 재료 표면에 상대적으로 약한 레이저 빔이 조사되어 표면손상 없이 열팽창에 의해 초음파가 발생한다. 주로 표면파나 횡파가 발생하므로 재료 내부를 검사하기에는 적합하지 않다.
상기 어블레이션 영역의 경우에는 강한 세기의 레이저 빔을 재료 표면에 조사하여 표면에서 재료의 기화 및 증발에 의한 반발력으로 표면 직하 방향으로 강한 종파가 발생하게 되고, 이 때문에 어블레이션영역에서의 빔 강도를 사용하는 것이 재료의 내부 결함 탐상에 유리하다. 하지만 표면에 수 마이크로미터 깊이의 손상이 발생하므로 이를 허용하는 범위에서 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템(100)은 레이저 발생 장치(110), 렌즈(120), 마이크로폰(130), 초음파 수신기(140), 및 신호 분석 장치(150)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생 장치(110)는 시편(101)에 레이저 빔을 조사한다. 이때, 상기 레이저 발생 장치(110)는 어블레이션 영역(ablation regime)에서의 빔 강도를 사용하여 상기 시편(101)에 레이저 빔을 조사하는 것이 바람직하다.
상기 렌즈(120)는 상기 시편(101)과 상기 레이저 발생 장치(110) 사이의 위치에 배치된다. 상기 렌즈(120)는 상기 시편(101)과 상기 레이저 발생 장치(110) 사이에서 이동 가능하게 설치되어 그 위치가 변경될 수 있다.
이를 위해, 상기 렌즈(120)의 하부에는 렌즈 위치 제어 장치(미도시)가 연결될 수 있다. 상기 렌즈 위치 제어 장치는 일반적으로 사용되는 슬라이딩 방식으로 상기 렌즈(120)를 이동시켜 상기 렌즈(120)의 위치를 변경시킬 수 있다. 여기서, 상기 슬라이딩 방식은 일반적으로 널리 알려진 방식이므로, 본 발명의 일 실시예에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 렌즈(120)는 상기 시편(101)과 상기 레이저 발생 장치(110) 사이에서의 위치 변경에 따라, 상기 레이저 빔의 강도를 변화시킨다. 참고로, 상기 렌즈(120)로는 볼록 렌즈가 사용될 수 있다.
여기서, 상기 레이저 빔의 강도는 상기 레이저 빔의 파워(W), 및 상기 시편(101)의 표면에 조사된 면적(cm2)에 기초하여 산출될 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 빔의 강도는 Beam intensity 혹은 beam irradiance라고 일컬어지며, 단위 면적(cm2)당 에너지(W), 즉 W/cm2 를 의미한다. 비파괴 평가에서 레이저가 재료(시편)(101) 표면에 조사될 때, 순간적인 열팽창 혹은 시편(101)의 증발에 따른 반발력으로 초음파를 발생시킨다. 이때, 주로 짧은 펄스 간격을 갖는 레이저가 사용되고, mJ 단위로 레이저 세기를 조절하는데, W는 레이저 파워 (mJ)을 레이저의 펄스 간격(s)로 나누는 연산을 통해 계산될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 레이저 빔이 조사되는, 시편(101)의 면적을 상기 레이저 빔의 직경에 의해 구하고 그것을 펄스 간격으로 나누어줌으로써, 상기 레이저 빔의 강도를 계산할 수 있다.
상기 마이크로폰(130)은 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정한다.
즉, 상기 마이크로폰(130)은 상기 플라즈마의 발생과 동시에, 충격파(shock wave) 및 플라즈마파(plasma wave)에 의해 공기 중으로 전파되는 음향 노이즈를 측정할 수 있다.
상기 초음파 수신기(140)는 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편(101)에 발생되는 초음파를 수신한다. 상기 초음파 수신기(140)로는 변위 측정기의 한 종류인 TWM(Two-Wave Mixing) 광굴절 간섭계가 사용될 수 있다.
상기 신호 분석 장치(150)는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 상기 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정할 수 있다.
구체적으로, 상기 신호 분석 장치(150)는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석하고, 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여 상기 최적 빔 강도를 선정할 수 있다.
부연 설명하면, 상기 신호 분석 장치(150)는 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 포커스 컨디션(focused condition)일 때의 렌즈 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출하고, 상기 추출된 위치에서의 레이저 빔의 강도를 상기 최적 빔 강도로서 선정할 수 있다.
여기서, 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치는 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치 중, 상기 포커스 컨디션일 때의 렌즈 위치를 기준으로 가장 근접한 위치인 것이 바람직하다.
참고로, 상기 focused condition은 상기 렌즈(120)의 위치에 따른 대상체(시편)(101) 표면에서의 레이저 빔 조사 형태 중 하나로서, 상기 시편(101)에 조사되는 레이저 빔의 면적이 가장 좁아지는 상태, 즉 상기 시편(101)의 표면에서 초점이 맺힌 경우를 나타낸다. 상기 레이저 빔 조사 형태에 관해서는 아래의 실험 예를 설명 시 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
실험 예
1. 레이저 빔 조사 형태
도 2는 렌즈 위치에 따른 대상체 표면에서의 레이저 빔 조사 형태를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고출력의 빔을 재료(시편) 표면에 조사하기 위해 볼록 렌즈를 사용한다. 대상체인 재료 표면에서의 레이저 빔 조사 형태는 3가지 경우로 분류될 수 있다.
즉, 상기 레이저 빔 조사 형태는 렌즈의 초점이 재료 내부 맺히도록 하여 빔을 집속시키는 경우(Intrafocused condition)(도 2의 a), 재료 표면에 정확히 초점을 맺히게 하는 경우(Focused condition)(도 2의 b), 그리고 초점을 재료 바깥에 맺히게 하여 조사하는 경우(Extrafocused condition)(도 2의 c)로 분류될 수 있다. 위의 세 가지 형태는 고출력의 레이저 빔을 재료 표면에 조사하기 위해 적용하였다.
레이저 빔의 강도를 구하기 위해서는 조사된 레이저의 파워(W)와 표면에 조사된 면적(cm2)을 알아야 한다. 레이저의 파워는 주어져 있고, 조사된 면적은 레이저 빔의 초기 직경을 알고 있을 때, 일정 초점거리를 갖는 볼록렌즈의 위치에 따라 직경의 감소 정도를 비례적으로 계산하여 구할 수 있다.
빔 강도가 가장 높은 경우는 조사되는 빔 면적이 가장 좁아지는, 즉 재료의 표면에서 초점이 맺힌 경우(Focused condition)이고 도 2의 (b)에 해당한다.
2. 플라즈마 생성 및 이에 따른 초음파 세기
도 3은 초음파 신호와 마이크로폰으로 측정한 플라즈마파 신호의 차이를 나타낸 도면이고, 도 4는 마이크로폰으로 측정한 음향 노이즈의 신호 파형을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 어블레이션 영역에서 고출력의 펄스 레이저를 조사하게 되면 재료 혹은 공기 입자가 이온화 되는 플라즈마가 생성된다. 이러한 플라즈마는 빔 강도가 증가함에 따라 활발하게 생성된다. 매우 높은 세기의 빔 강도에서는 플라즈마가 형성되면서 쉴드 역할을 하는데, 이 때문에 표면에 도달하는 빔을 차단하여 초음파의 발생을 약화 시킨다. 이것이 플라즈마 쉴드에 의한 초음파 세기 감소 현상이다.
도 3의 Focused condition에서 발생하는 초음파의 진폭이 최소가 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 지점 부근에서 빔 강도가 증가할수록, 간섭계로 측정한 초음파 신호와 마이크로 측정한 음향 신호 간에 반비례하는 성향이 나타난다. 이를 통해 플라즈마가 활발하게 생성됨과 함께 초음파의 발생을 저하시키는 것을 알 수 있다.
초음파 세기가 가장 높은 지점은 빔 강도가 가장 높은 Focused condition이 아닌, 조금 더 낮은 빔 강도를 갖는 렌즈 위치이다. 초음파 세기가 가장 높은 빔 강도를 찾기 위해 마이크로 측정한 신호의 파형을 확인하였다(도 4).
플라즈마가 생성될 때, 공기 중으로 강한 충격파와 플라즈마 파가 발생하여 전파하게 된다. 이들의 진폭을 마이크로폰으로 측정하여 최대 크기의 초음파가 발생하는 빔 강도를 선정하였다. 도 4에서 보이는 바와 같이 플라즈마의 생성에 의한 충격파와 플라즈마가 폭발하며 발생하는 플라즈마 파가 나타나고, 충격파와 플라즈마파 모두 재료의 표면이 초점 거리에 가까워질수록, 즉 빔 강도가 강해질수록 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 빔의 강도가 최대인 Focused condition에 도달할수록 파형의 위상이 앞당겨지는 것을 통해 플라즈마의 생성 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
여기서 중요한 부분은 최대 크기의 초음파를 갖는 빔 강도는 플라즈마파의 모습이 나타나지 않는 렌즈 위치, 즉 focused condition에서의 빔 강도임을 확인하였다. 이로써, 간접적으로 초음파의 크기가 최대가 되는 빔 강도를 선정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
먼저 도 1 및 도 5를 참조하면, 단계(510)에서 레이저 발생 장치(110)는 시편(101)에 레이저 빔을 조사한다.
다음으로, 단계(520)에서 렌즈 위치 제어 장치(미도시)는 상기 레이저 빔의 조사 시, 상기 시편(101)과 상기 레이저 발생 장치(110) 사이에서 렌즈(120)의 이동을 통해, 상기 렌즈(120)의 위치를 변경하여 상기 레이저 빔의 강도를 변화시킨다.
다음으로, 단계(530)에서 마이크로폰(130)은 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편(101)에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정한다.
다음으로, 단계(540)에서 초음파 수신기(140)는 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편(101)에 발생되는 초음파를 수신한다.
다음으로, 단계(550)에서 신호 분석 장치(150)는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 상기 레이저 빔의 최적 빔 강도를 선정한다.
구체적으로, 도 6을 참조하면, 단계(610)에서 상기 신호 분석 장치(150)는 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석한다.
이후, 단계(620)에서 상기 신호 분석 장치(150)는 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, focused condition일 때의 렌즈(120) 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출한다.
이후, 단계(630)에서 상기 신호 분석 장치(150)는 상기 추출된 위치에서의 레이저 빔의 강도를 상기 최적 빔 강도로서 선정한다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 레이저 발생 장치
120: 렌즈
130: 마이크로폰
140: 초음파 수신기
150: 신호 분석 장치

Claims (15)

  1. 시편에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생 장치;
    상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이의 위치에 배치되고, 상기 위치의 변경에 따라 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 렌즈;
    상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 트랜스듀서;
    상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 초음파 수신기; 및
    상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도를 선정하는 신호 분석 장치
    를 포함하고,
    상기 신호 분석 장치는
    상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석하고, 상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 상기 시편에 조사되는 레이저 빔의 면적이 가장 좁아지는 상태를 나타내는 포커스 컨디션(focused condition)일 때의 렌즈 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출하고, 상기 추출된 위치에서의 레이저 빔 강도를 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도로서 선정하는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치는
    상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치 중, 상기 포커스 컨디션일 때의 렌즈 위치를 기준으로 가장 근접한 위치인 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  5. 시편에 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생 장치;
    상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이의 위치에 배치되고, 상기 위치의 변경에 따라 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 렌즈;
    상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 트랜스듀서;
    상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 초음파 수신기; 및
    상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도를 선정하는 신호 분석 장치
    를 포함하고,
    상기 트랜스듀서는
    상기 플라즈마의 발생과 동시에, 충격파(shock wave) 및 플라즈마파(plasma wave)에 의해 공기 중으로 전파되는 상기 음향 노이즈를 측정하는 마이크로폰인 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 레이저 발생 장치는
    어블레이션 영역(ablation regime)에서의 빔 강도를 사용하여 상기 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 강도는
    상기 레이저 빔의 파워(W), 및 상기 시편의 표면에 조사된 면적(cm2)에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 렌즈는
    상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이에서 이동 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 시스템.
  10. 레이저 발생 장치에서, 시편에 레이저 빔을 조사하는 단계;
    렌즈 위치 제어 장치에서, 상기 레이저 빔의 조사 시, 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이에서 렌즈의 이동을 통해, 상기 렌즈의 위치를 변경하여 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 단계;
    트랜스듀서에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 단계;
    초음파 수신기에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 단계; 및
    신호 분석 장치에서, 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도를 선정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 레이저 빔 강도를 선정하는 단계는
    상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여 플라즈마 신호를 분석하는 단계;
    상기 플라즈마 신호의 분석 결과에 기초하여, 상기 시편에 조사되는 레이저 빔의 면적이 가장 좁아지는 상태를 나타내는 포커스 컨디션(focused condition)일 때의 렌즈 위치를 기준으로 상기 플라즈마 신호가 발생하지 않는 위치를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 위치에서의 레이저 빔 강도를 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도로서 선정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 레이저 발생 장치에서, 시편에 레이저 빔을 조사하는 단계;
    렌즈 위치 제어 장치에서, 상기 레이저 빔의 조사 시, 상기 시편과 상기 레이저 발생 장치 사이에서 렌즈의 이동을 통해, 상기 렌즈의 위치를 변경하여 상기 레이저 빔의 강도를 변화시키는 단계;
    트랜스듀서에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에서 발생되는 플라즈마에 의한 음향 노이즈를 측정하는 단계;
    초음파 수신기에서, 상기 레이저 빔의 강도 변화에 따라 상기 시편에 발생되는 초음파를 수신하는 단계; 및
    신호 분석 장치에서, 상기 음향 노이즈의 측정 결과에 기초하여, 상기 초음파의 진폭 크기가 최대가 되는 레이저 빔 강도를 선정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 음향 노이즈를 측정하는 단계는
    마이크로폰을 통해, 상기 플라즈마의 발생과 동시에, 충격파(shock wave) 및 플라즈마파(plasma wave)에 의해 공기 중으로 전파되는 상기 음향 노이즈를 측정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법.
  14. 제10항 또는 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 조사하는 단계는
    어블레이션 영역(ablation regime)에서의 빔 강도를 사용하여 상기 레이저 빔을 조사하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법.
  15. 제10항 또는 제13항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 강도는
    상기 레이저 빔의 파워(W), 및 상기 시편의 표면에 조사된 면적(cm2)에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 최대 진폭을 갖는 레이저 초음파 발생을 위한 최적 빔 강도 선정 방법.
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