KR102663439B1 - 원자력 발전소에 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치 - Google Patents

원자력 발전소에 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 레이저 빔 전송 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는 원자력 발전소에서 이용가능하도록 수중 환경 속에서의 고출력 레이저 빔 전송을 가능하게 하는 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치가 제공되고, 이 장치는, 각각 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유 및 광섬유를 하우징하는 커넥팅 블록으로 이루어진 복수의 광섬유 수용부를 포함하는 광섬유수용부 어셈블리; 광섬유 수용부 어셈블리 내의 복수의 광섬유 수용부로부터 출사된 광을 평행광으로 변환하고 평행광으로 변환된 광을 초점에 수렴시켜 출사하는 광 균질화부; 및 광 균질화부로부터의 광이 출사되는 노즐부를 포함하고, 광 균질화부는 출사되는 광을 하나의 초점에 수렴시키도록 구성된다.

Description

원자력 발전소에 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치{UNDERWATER HIGH POWER LASER BEAM TRANSMISSION APPARATUS AVAILABLE IN NUCLEAR POWER PLANT}
본 발명은 고출력 레이저 빔 전송 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는 원자력 발전소에서 이용가능하도록 수중 환경 속에서의 고출력 레이저 빔 전송을 가능하게 하는 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 관한 것이다.
종래 고에너지 펄스 레이저로부터 생성된 광을 광섬유에 전달하는 빔 전송 시스템이 알려져 있다. 산업적으로 고출력 레이저 펄스 빔은 융발(ablation) 효과에 의한 초음파의 생성, 재료의 가공이나 표면처리 등에 널리 사용될 수 있다. 그러나 통상 고출력 레이저 시스템은 그 규모가 크고 주기적인 정비가 필요하며 외부 환경에 민감하여 산업적 응용이 제한되고 있다. 즉, 복잡한 구조를 갖거나 열악한 환경 하에 있는 대상의 경우에는 상기한 바와 같은 고출력 레이저 시스템을 접근시키기 어렵기 때문에 고출력 레이저 펄스 빔의 전송이 필요하다.
광섬유를 기반으로 하는 레이저 빔 가공 시스템은 일반적인 레이저 시스템보다 높은 고출력에너지를 사용한다. 이 때 정확한 대상물 위치에 레이저를 이용하여 가공하기 위해 광학부재, 미러 등의 광학 전송계의 구성이 필요하다. 이러한 광학 시스템은 광학부재와 매질간의 굴절율에 의하여 정확한 레이저 빔 경로 구성이 가능하지만 수중 환경을 필요로 하는 레이저 빔 시스템에 있어서는 일반적인 광학계 재료인 퓨즈 실리카(Fused Silica)의 굴절율은 1.46(BK7의 굴절율은 1.52)로서 공기상의 굴절율인 1.00에 비하여 물의 굴절율은 1.33으로 크게 차이나지 않는다. 이로 인하여 기존 일반적인 수중시스템 광학계의 구성은 "광섬유 - [공기층] - 광학계[공기층] - 최종출사[물층]"의 구성을 가진다. 이 때 광섬유를 통하여 전송된 광원은 광섬유 출사면의 상태에 따라서 그 전송 효율에 차이를 가지게 되고 이를 보완하기 위하여 광섬유와 공기층이 만나는 노출면에 AR 코팅 기술을 사용하여 에너지에 대한 손실을 보전하는 것이 일반적인 구성이다.
하지만 고출력 에너지 레이저의 경우 광섬유 표면에 처리 가능한 일반적인 AR 코팅의 한계점(임계점)을 넘어서는 에너지를 전송해야 하는 경우 일반적인 AR코팅은 특수 코팅의 비용적인 문제점과 이를 구현할 수 있는 업체가 제한적이라는 문제점이 존재한다.
또한 수중에서 고출력 레이저를 안정적으로 사용하는데 있어서 하나의 광섬유를 이용하는 구조에서 발생하는 에너지 전송의 한계 값이 존재한다. 이는 광섬유 자체가 버틸 수 있는 임계값 이상의 에너지 전송 시 광섬유가 파손됨에 따라 발생하는 한계 값이다.
가공 대상물의 가공 대상물의 재질에 따라 요구되는 에너지가 달라진다. 스테인리스 스틸과 알루미늄을 예로 들었을 때 532nm를 기준으로 각각의 재질별 흡수율은 약 35%, 8% 정도로 각 재질이 흡수하는 에너지가 달라서 동일한 에너지를 투입하였을 때 각 대상물에 형성되는 가공의 형태가 달라진다. 예를 들어 재질의 용융점 이상의 에너지를 흡수하게 되면 에너지 입사부위는 용접 등으로 활용 가능한 상태변화를 일으키게 된다.
역시 대상물의 형상에 따라 가공을 진행하는 과정 중에 발생하는 입사각의 변형에 따라 초점의 면적이 변화됨에 따라서 전송해야할 에너지의 증가가 요구될 수 있다.
레이저 가공에 있어서 최종 대상물의 가공형태는 Intensity로 대표되는 최종 가공 초점에 집광되는 에너지에 따른다. 이때 Intensity는 집광된 초점의 면적에 전달되는 에너지로 초점의 면적에 반비례하여 결정된다.
이러한 상황에서 발생하는 한계점, 특히 원자력 발전소 중 경수로의 핵 반응로(이하 원자로)의 유지보수를 위하여 수중에서 사용하는 경우 하나의 광섬유에서 발생하는 에너지만으로는 작업에 필요한 충분한 에너지를 공급할 수 없다라는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 안출된 발명으로 경수로의 핵 반응로(이하 원자로)의 유지보수가능하도록 수중 환경에서 더 높은 고출력 레이저 빔을 안정적으로 전송할 수 있는 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치가 요구되고 있다.
전술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 양태에 따르면 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치가 제공되고, 이 장치는,
각각 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유 및 광섬유를 하우징하는 커넥팅 블록으로 이루어진 복수의 광섬유 수용부를 포함하는 광섬유수용부 어셈블리;
광섬유 수용부 어셈블리 내의 복수의 광섬유 수용부로부터 출사된 광을 평행광으로 변환하고 평행광으로 변환된 광을 초점에 수렴시켜 출사하는 광 균질화부; 및
광 균질화부로부터의 광이 출사되는 노즐부를 포함하고,
상기 광 균질화부는 출사되는 광을 하나의 초점에 수렴시키도록 구성된다.
전술한 양태에 있어서, 상기 광 균질화부는 출사되는 광을 1 X n의 일렬로 정렬된 복수의 초점에 수렴시키도록 구성되고, 여기서 n 은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수이다.
또한 전술한 어느 하나의 양태에서 광 균질화부는 출사되는 광을 N X N으로 정렬된 복수의 초점에 수렴시키도록 구성되고, 여기서 N은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수인 n의 1/2이다.
또한 전술한 어느 하나의 양태에서 상기 광 섬유를 하우징하는 커넥팅 블럭 내에는 물이 충전되어 있고, 상기 광 균질화부 내부에는 공기 또는 가스가 밀봉되어 있다.
또한 전술한 어느 하나의 양태에서 광 균질화부는 제1 광학부재를 포함하고, 제1 광학부재는 광섬유 수용부의 물과 대면하여 물을 통과한 레이저 빔이 입사되는 평편한 제1 면 및 레이저 빔이 출사되는 공기층과 대면하는 볼록한 제2 면을 포함한다.
또한 전술한 어느 하나의 양태에서 상기 광 균질화부는 제2 광학부재를 더 포함하고, 제2 광학부재는 레이저 빔이 입사되는 공기층과 대면하는 볼록한 제1 면 및 레이저 빔이 출사되는 목표물측의 물과 대면하는 평편한 제2 면을 포함한다.
본 발명에 따르면 경수로의 핵 반응로(이하 원자로)의 유지보수가능하도록 수중 환경에서 더 높은 고출력 레이저 빔을 안정적으로 전송할 수 있는 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치를 제공할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 전체 구성을 나타내는 도면;
도 1b은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에서 커넥팅 블록의 내부 구성을 나타내는 도면;
도 1c은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 내부 구조를 나타내는 단면도;
도 1d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 광학수단의 다른 변형예를 나타내는 도면;
도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 렌즈 구성을 나타내는 도면;
도 1f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에서 출력되는 레이저 빔 스폿을 나타내는 도면;
도 2a은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 전체 구성을 나타내는 도면;
도 2b은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 내부 구조를 나타내는 단면도;
도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 광학수단의 다른 변형예를 나타내는 도면;
도 2d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 렌즈 구성을 나타내는 도면;
도 2e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에서 출력되는 레이저 빔 스폿을 나타내는 도면;
도 3a은 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 전체 구성을 나타내는 도면;
도 3b은 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 내부 구조를 나타내는 단면도;
도 3c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 광학수단의 다른 변형예를 나타내는 도면;
도 3d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에 이용가능한 광 균질화부의 렌즈 구성을 나타내는 도면;
도 3e는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치에서 출력되는 레이저 빔 스폿을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
<제1 실시예>
도 1a는 본 발명에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)는 통상적으로 레이저 발생기(미도시) 등에 연결되어 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 균질화하여 노즐부를 통해 방출하도록 구성되어 있다.
수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)는 도 1a에 도시된 바와 같이 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유(120)를 포함하는 광섬유 수용 어셈블리(100); 광섬유 수용 어셈블리(100) 내의 광섬유(120)로부터 출사된 광을 균질화하는 광 균질화부(200); 및 광 균질화부(200)로부터의 광을 수중에 출사하기 위한 노즐부(300)를 포함한다.
광섬유 수용 어셈블리(100)는 복수의 광섬유 수용부로 구성되고, 각각의 광섬유 수용부는 광섬유(120)와 커넥팅 블록(125)가 결합된 형태로 제공된다. 도 1b는 커넥팅 블록(125)의 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 광섬유 수용부(100)의 커넥팅 블록(125)은 광섬유(120)를 통해 펄스 레이저 발생기의 출력단에 연결되고 그 내부는 물로 충진되어 있다. 레이저 빔 경로에 사용되는 물은 고에너지 레이저가 지속 투과할 때 발생하는 이물질로 인하여 오염물이 발생될 수 있다. 이러한 오염물이 누적되면 광섬유(120)로부터 출사되어 후속하는 광 균질화부의 제1 광학부재(210)로 입사되는 레이저 빔의 입사 효율을 저하시키거나 제1 광학부재(21)의 입사 표면을 손상시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 광섬유 수용부(100) 내부에 채워지는 물은 정수 필터(130)를 거친 정수된 물이 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 펌프 등의 외력을 이용하여 필터를 통과한 물을 광섬유 수용부(100)의 커넥팅 블록(125) 내부로 인입하고 배수하는 구조를 가진다. 이때 배수되는 물은 광섬유 수용부(100)의 일측면에 형성된 배수구(140)를 가질 수 있다.
광섬유 수용 어셈블리(100)는 전술한 바와 같은 복수의 광섬유 수용부로 이루어지는데, 이 실시예에서는 하나의 집광 패턴을 형성하는데 유리하도록 광섬유 수용부는 서로 격자의 형태로 서로 결합되어 있다. 도시된 실시예에서는 4개의 광섬유 수용부가 하나의 광섬유 수용 어셈블리(100)를 이루고 있지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 경수로 작업에 필요한 출력을 위해 더 증가되거나 축소될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
광 균질화부(200)는 적어도 2개의 광학부재(210,220)를 포함한다. 제1 광학부재(210)는 괌섬유로부터 출사되어 물을 거쳐 입사된 레이저 빔을 광 균질화부(200) 내에서 평행광으로 변환시키고 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)으로부터 평행광으로 입사된 레이저 빔의 경로를 노즐(300)을 통해 초점 F에 수렴시키도록 기능된다.
도시된 실시예에서 제1 광학부재(210)는 4개의 렌즈(211~214)로 이루어져 하나의 렌즈 어셈블리를 구성하고, 각각의 렌즈(211~214)는 복수의 광섬유 수용부의 각각의 레이저 출사경로에 대응하여 설치되어 있다.
도 1c는 광섬유 어셈블리(100)가 광 균질화부(200)와 결합된 구조를 나타내는 도면이다. 광 균질화부(200)의 제1 광학부재(210)와 접촉되는 물의 굴절력(Optical Power)을 고려하여 광학부재의 면 방향을 설정한다. 레이저의 빔 경로를 제어하기 위하여 제1 광학부재(210)의 볼록한 면(제2 면)이 광 균질화부(200)의 내부에 밀봉된 공기(or가스)층을 향하도록 구성되었고, 물 층과 제1 광학부재의 굴절율 차이가 적어 굴절력이 낮아지는 광학부재의 평면한 면(제1 면)이 물과 접촉하도록 하여 레이저 빔의 전송경로가 형성된다.
이때 퓨즈 실리카(Fused Silica) 재질로 이루어진 각각의 렌즈들과 물이 접하는 제1 면은 입사각도 0도 기준에서의 반사율은 0.2%로 일반적인 AR 코팅(Anti-reflection coated: 저반사 코팅)이 가지는 0.25%의 반사율보다 낮은 결과를 얻을 수 있으며 따라서 물과 접하는 평평한 면은 AR 코팅을 할 필요가 없다.
또한 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 공기(or 가스)로 채워진 광 균질화부(200)에서 물과 접하는 제1 면에는 순환하는 물과의 온도차이가 발생하며 이로 인하여 광학부재 내부에 결로가 발생할 수 있다. 이는 레이저 효율감소 혹은 광학부재 표면에 손상을 초래할 수 있다. 이를 예방하기 위하여 광 균질화부(200) 내부는 건조한 공기 혹은 질소가스로 충전하고 이를 통하여 내부 습기를 사전에 제거할 수 있게 된다.
제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)와는 다르게 하나의 렌즈로 구성되고, 제2 광학부재(200)의 볼록한 면(제2 면)이 공기층과 접하고 제2 광학부재의 평편한 면(제1 면)이 노즐측의 물과 접촉하도록 광 경로가 형성된다. 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)를 구성하는 4개의 렌즈로부터 출사되는 레이저 빔을 초점 F에 집광시키도록 구성된다.
그러나 본 발명은 이와 같은 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 구성 및 배열에 한정되는 것은 아니고 다른 다양한 구성 및 배열을 가질 수 있다. 예를 들면 도 1d는 광 균질화부를 구성하는 제1 광학부재와 제2 광학부재에 이용가능한 렌즈의 다양한 형태를 나타내는 도면으로, 제1 광학부재(210)의 수는 동일하게 4개의 구조로 이루어지지만 제2 광학부재(220)는 도시된 바와 같이 1개, 2개, 4개의 구조를 가질 수 있으며, 이들은 공통적으로 제1 광학부재(210)의 경우 제2 광학부재(220)를 향해 레이저 빔을 평행광으로 조사하고, 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)로부터 도달된 레이저 빔을 초점 F를 향해 수렴시키도록 동작하게 된다.
도 1e는 전술한 바와 같은 광 균질화부의 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 렌즈 구성을 도시한 도면이고, 도 1f는 광 균질화부에서 출력되는 레이저빔 스폿의 모니터링 도면이다.
도 1e에 도시된 바와 같이 제1 광학부재(210)의 경우 4개의 개별 렌즈(도면에서는 2개로 표시됨)로 구성되는데 각각의 제1 광학부재에 이용되는 렌즈는 지름(Φ)이 12.0mm이고 유효초점거리 EFL은 20.0mm인 렌즈가 각각 사용되어 광섬유로 출사되어온 광을 평행광으로 바꿔 제2 광학부재(220)으로 전달한다.
한편 제2 광학부재에 이용된 렌즈는 지름(Φ)이 30.0mm이고 유효초점거리 EFL은 30.0mm인 렌즈가 이용되었으며 제1 광학부재와 대향하는 제2 광학부재의 면이 비교적 큰 + 곡률을 가짐에 따라 레이저 빔은 초점 F에 수렴하게 된다.
본 실시예에서 레이저 빔의 스폿 패턴은 도 1f에 도시된 바와 같이 지름이 1.68mm인 비교적 큰 스폿 패턴이 얻어질 수 얻어질 수 있었다. 이와 같은 구조는 다수의 광섬유에서 나오는 빔을 1개의 스팟으로 모아서 비교적 높은 에너지 가공을 위해 에너지 집중이 가능한 광학 구조를 제공할 수 있다.
<제2 실시예>
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)는 통상적으로 레이저 발생기(미도시) 등에 연결되어 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 균질화하여 노즐부를 통해 방출하도록 구성되어 있다.
제1 실시예와 동일하게 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)는 도 2a에 도시된 바와 같이 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유(120)를 포함하는 광섬유 수용 어셈블리(100); 광섬유 수용 어셈블리(100) 내의 광섬유(120)로부터 출사된 광을 균질화하는 광 균질화부(200); 및 광 균질화부(200)로부터의 광을 수중에 출사하기 위한 노즐부(300)를 포함한다.
광섬유 수용 어셈블리(100)는 복수의 광섬유 수용부로 구성되고, 각각의 광섬유 수용부는 광섬유(120)와 커넥팅 블록(125)가 결합된 형태로 제공된다. 도 2b는 커넥팅 블록(125)의 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 제1 실시예와 동일하게 광섬유 수용부(100)의 커넥팅 블록(125)은 광섬유(120)를 통해 펄스 레이저 발생기의 출력단에 연결되고 그 내부는 물로 충진되어 있다. 레이저 빔 경로에 사용되는 물은 고에너지 레이저가 지속 투과할 때 발생하는 이물질로 인하여 오염물이 발생될 수 있다. 이러한 오염물이 누적되면 광섬유(120)로부터 출사되어 후속하는 광 균질화부의 제1 광학부재(210)로 입사되는 레이저 빔의 입사 효율을 저하시키거나 제1 광학부재(21)의 입사 표면을 손상시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 광섬유 수용부(100) 내부에 채워지는 물은 정수 필터(130)를 거친 정수된 물이 사용되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 펌프 등의 외력을 이용하여 필터를 통과한 물을 광섬유 수용부(100)의 커넥팅 블록(125) 내부로 인입하고 배수하는 구조를 가진다. 이때 배수되는 물은 광섬유 수용부(100)의 일측면에 형성된 배수구(140)를 가질 수 있다.
광섬유 수용 어셈블리(100)는 전술한 바와 같은 복수의 광섬유 수용부로 이루어지는데, 제2 실시예에서는 하나의 집광 패턴이 아닌 복수의 광섬유 수용부의 개수에 대응하는 집광패턴을 형성하는데 유리하도록 광섬유 수용부는 서로 일자 형태로 서로 결합되어 있다. 도시된 실시예에서는 3개의 광섬유 수용부가 일렬로 배치되어 있는 하나의 광섬유 수용 어셈블리(100)를 이루고 있지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 경수로 작업 요구에 대응하여 광섬유 수용부의 수는 증가되거나 축소될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
예를 들면 광 균질화부는 출사되는 광을 1 X n의 일렬로 정렬된 복수의 초점에 수렴시키도록 구성되며, 여기서 n 은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수로 표시된다.
광 균질화부(200)는 적어도 2개의 광학부재(210,220)를 포함한다. 제1 광학부재(210)는 괌섬유로부터 출사되어 물을 거쳐 입사된 레이저 빔을 광 균질화부(200) 내에서 평행광으로 변환시키고 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)로부터 평행광으로 입사된 레이저 빔의 경로를 노즐(300)을 통해 초점 F1 내지 F3에 각각 수렴시키도록 기능된다.
도시된 실시예에서 제1 광학부재(210)는 1개의 렌즈로 이루어져 하나의 렌즈 어셈블리를 구성하고, 1개의 렌즈는 복수의 광섬유 수용부의 각각의 레이저 출사경로 전체에 걸쳐 설치되어 있다.
광 균질화부(200)의 제1 광학부재(210)와 접촉되는 물의 굴절력(Optical Power)을 고려하여 광학부재의 면 방향을 설정한다. 레이저의 빔 경로를 제어하기 위하여 제1 광학부재(210)의 볼록한 면(제2 면)이 광 균질화부(200)의 내부에 밀봉된 공기(or가스)층을 향하도록 구성되었고, 물 층과 제1 광학부재의 굴절율 차이가 적어 굴절력이 낮아지는 광학부재의 평면한 면(제1 면)이 물과 접촉하도록 하여 레이저 빔의 전송경로가 형성된다.
이때 퓨즈 실리카(Fused Silica) 재질로 이루어진 각각의 렌즈들과 물이 접하는 제1 면은 입사각도 0도 기준에서의 반사율은 0.2%로 일반적인 AR 코팅(Anti-reflection coated: 저반사 코팅)이 가지는 0.25%의 반사율보다 낮은 결과를 얻을 수 있으며 따라서 물과 접하는 평평한 면은 AR 코팅을 할 필요가 없다.
또한 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 공기(or 가스)로 채워진 광 균질화부(200)에서 물과 접하는 제1 면에는 순환하는 물과의 온도차이가 발생하며 이로 인하여 광학부재 내부에 결로가 발생할 수 있다. 이는 레이저 효율감소 혹은 광학부재 표면에 손상을 초래할 수 있다. 이를 예방하기 위하여 광 균질화부(200) 내부는 건조한 공기 혹은 질소가스로 충전하고 이를 통하여 내부 습기를 사전에 제거할 수 있게 된다.
제2 광학부재(220) 역시 하나의 렌즈로 구성되고, 제2 광학부재(200)의 볼록한 면(제2 면)이 공기층과 접하고 제2 광학부재의 평편한 면(제1 면)이 노즐측의 물과 접촉하도록 광 경로가 형성된다. 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)를 구성하는 렌즈로부터 출사되는 레이저 빔을 초점 F1~F3에 각각 집광시키도록 구성된다.
그러나 본 발명은 이와 같은 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 구성 및 배열에 한정되는 것은 아니고 다른 다양한 구성 및 배열을 가질 수 있다. 예를 들면 도 2c는 광 균질화부를 구성하는 제1 광학부재와 제2 광학부재에 이용가능한 렌즈의 다양한 형태를 나타내는 도면으로, 제1 광학부재(210)의 수는 1개 또는 3개의 구조로 이루어질 수도 있으며, 제2 광학부재(220)는 역시 도시된 바와 같이 1개 또는 3개의 구조를 가질 수 있으며, 이들은 공통적으로 제1 광학부재(210)의 경우 제2 광학부재(220)를 향해 레이저 빔을 평행광으로 조사하지만, 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)로부터 도달된 레이저 빔을 광섬유 수용부의 개수(이 실시예에서는 3)에 대응하여 3개의 초점 F1 내지 F3를 향해 수렴시키도록 동작하게 된다.
도 2d는 전술한 바와 같은 광 균질화부의 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 렌즈 구성을 도시한 도면이고, 도 2d는 광 균질화부에서 출력되는 레이저빔 스폿의 모니터링 도면이다.
도 2d에 도시된 바와 같이 제1 광학부재(210)의 경우 1개의 렌즈로 구성되는데 각각의 제1 광학부재에 이용되는 렌즈는 지름(Φ)이 30.0mm이고 유효초점거리 EFL은 60.0mm인 비교적 큰 구경의 렌즈가 사용되어 광섬유로 출사되어온 광을 평행광으로 바꿔 제2 광학부재(220)으로 전달한다.
한편 제2 광학부재에 이용된 렌즈는 지름(Φ)이 30.0mm이고 유효초점거리 EFL은 30.0mm인 렌즈가 이용되었으며 제1 광학부재와 대향하는 제2 광학부재의 면이 비교적 + 곡률을 가진다.
본 실시예에서 레이저 빔의 스폿 패턴은 4개의 광섬유 수용부를 이용한 경우 도 2e에 도시된 바와 같이 일렬로 배열된 4개의 레이저 빔 스폿이 얻어질 수 있으며, 각각의 스폿은 지름이 0.53mm였다. 이와 같은 구조는 다수의 광섬유에서 나오는 빔을 1열로 정열하여 넓은 면적을 일열로 쓸고 지나가는 형태로 제1 실시예에 비교하여 낮은 에너지 가공이 가능한 광학 구조를 제공할 수 있다.
<제3 실시예>
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
수중 고출력 레이저 빔 전송 장치(10)는 제1 및 제2 실시예와 동일하게이 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유(120)를 포함하는 광섬유 수용 어셈블리(100); 광섬유 수용 어셈블리(100) 내의 광섬유(120)로부터 출사된 광을 균질화하는 광 균질화부(200); 및 광 균질화부(200)로부터의 광을 수중에 출사하기 위한 노즐부(300)를 포함한다.
광섬유 수용 어셈블리(100)는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 이하에서 생략하도록 한다. 제3 광섬유 수용 어셈블리(100)를 구성하는 광섬유 수용부는 제3 실시예에서 4개의 광섬유 수용부가 이용되었고 제1 실시예와 동일하게 격자 형상으로 서로 결합되어 있다. 도시된 실시예에서는 4개의 광섬유 수용부가 격자행태로 배치되어 있는 하나의 광섬유 수용 어셈블리(100)를 이루고 있지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 경수로 작업 요구에 대응하여 광섬유 수용부의 수는 증가되거나 축소될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
도 3b를 참조하여 광 균질화부(200)에 대해 이하에 설명한다. 광 균질화부(200)는 적어도 2개의 광학부재(210,220)를 포함한다. 제1 광학부재(210)는 괌섬유로부터 출사되어 물을 거쳐 입사된 레이저 빔을 광 균질화부(200) 내에서 평행광으로 변환시키고 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)로부터 평행광으로 입사된 레이저 빔의 경로를 노즐(300)을 통해 대략 사각 형상의 초점 F1 내지 F4에 각각 수렴시키도록 기능된다.
도시된 실시예에서 제1 광학부재(210)는 2개의 렌즈로 이루어져 하나의 렌즈군을 구성하고, 1개의 렌즈 어셈블리는 복수의 광섬유 수용부의 각각의 레이저 출사경로 전체에 걸쳐 설치되어 있다.
보다 구체적으로 제1 광학부재(210)는 광섬유측에 배치되는 제1 렌즈(210a) 및 제2 광학부재(220)측에 배치되는 제2 렌즈(210b)로 이루어진다. 제1 렌즈(210a)는 - 곡률을 가지도록 배치되어 광섬유로부터의 빔을 확산시켜 제2 렌즈(210b)로 입사시킨다. 제2 렌즈(210b)는 전달된 레이저 빔을 평행광으로 변경하여 제2 광학부재(220)에 전달하게 된다.
광 균질화부(200)의 제1 광학부재(210)와 접촉되는 물의 굴절력(Optical Power)을 고려하여 광학부재의 면 방향을 설정한다. 레이저의 빔 경로를 제어하기 위하여 제1 광학부재(210)의 제1 렌즈(210a)의 볼록한 면(제2 면)이 광 균질화부(200)의 내부에 밀봉된 공기(or가스)층을 향하도록 구성되었고, 물 층과 제1 렌즈(210a)의 굴절율 차이가 적어 굴절력이 낮아지는 제1 렌즈(210a)의 평면한 면(제1 면)이 물과 접촉하도록 하여 레이저 빔의 전송경로가 형성된다.
또한 동일하게 제1 광학부재(210)의 제2 렌즈(210b)의 평평한 면(제1 면)이 제1 렌즈(210a)를 향하고 제2 렌즈(210b)의 볼록한 면(제2 면)이 제2 광학부재(220)를 향하도록 공기층 내에 배열된다.
이때 퓨즈 실리카(Fused Silica) 재질로 이루어진 각각의 렌즈들과 물이 접하는 제1 렌즈(210a)의 제1 면은 입사각도 0도 기준에서의 반사율은 0.2%로 일반적인 AR 코팅(Anti-reflection coated: 저반사 코팅)이 가지는 0.25%의 반사율보다 낮은 결과를 얻을 수 있으며 따라서 물과 접하는 제1 렌즈(210a)의 평평한 면은 AR 코팅을 할 필요가 없다.
또한 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 공기(or 가스)로 채워진 광 균질화부(200)에서 물과 접하는 제1 렌즈(210a)의 제1 면에는 순환하는 물과의 온도차이가 발생하며 이로 인하여 광학부재 내부에 결로가 발생할 수 있다. 이는 레이저 효율감소 혹은 광학부재 표면에 손상을 초래할 수 있다. 이를 예방하기 위하여 광 균질화부(200) 내부는 건조한 공기 혹은 질소가스로 충전하고 이를 통하여 내부 습기를 사전에 제거할 수 있게 된다.
제2 광학부재(220) 역시 하나의 렌즈로 구성되고, 제2 광학부재(200)의 볼록한 면(제2 면)이 공기층과 접하고 제2 광학부재의 평편한 면(제1 면)이 노즐측의 물과 접촉하도록 광 경로가 형성된다. 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)를 구성하는 렌즈로부터 출사되는 레이저 빔을 초점 F1~F4에 각각 집광시키도록 구성된다.
그러나 본 발명은 이와 같은 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 구성 및 배열에 한정되는 것은 아니고 다른 다양한 구성 및 배열을 가질 수 있다. 예를 들면 도 3c는 광 균질화부를 구성하는 제1 광학부재와 제2 광학부재에 이용가능한 렌즈의 다양한 형태를 나타내는 도면으로, 제1 광학부재(210)의 수는 2개 또는 4개의 구조로 이루어질 수도 있으며, 제2 광학부재(220)는 역시 도시된 바와 같이 1개 또는 4개의 구조를 가질 수 있으며, 이들은 공통적으로 제1 광학부재(210)의 경우 제2 광학부재(220)를 향해 레이저 빔을 평행광으로 조사하지만, 제2 광학부재(220)는 제1 광학부재(210)로부터 도달된 레이저 빔을 광섬유 수용부의 개수(이 실시예에서는 3)에 대응하여 대략 4각 형상을 가지도록 초점 F1 내지 F4를 향해 수렴시키도록 동작하게 된다.
따라서 이와 같은 구조는 다수의 광섬유에서 나오는 빔을 N x N(이 실시예에서는 2 X 2)으로 정열하여 넓은 면적에 대하여 저에너지 가공이 가능한 광학 구조를 제공할 수 있게 된다. 여기서 N은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수인 n의 절반(1/2)인 것으로 표시될 수 있다.
도 3d는 전술한 바와 같은 광 균질화부의 제1 광학부재 및 제2 광학부재의 렌즈 구성을 도시한 도면이고, 도 2d는 광 균질화부에서 출력되는 레이저빔 스폿의 모니터링 도면이다.
도 3d에 도시된 바와 같이 제1 광학부재(210)의 경우 2개의 렌즈로 구성되는데 제1 렌즈(210a)의 경우 지름(Φ)이 50.0mm이고 유효초점거리 EFL은 50.0mm인 비교적 큰 구경의 렌즈가 사용되어 광섬유로 출사되어온 광을 확산시켜 제2 렌즈(210b)로 전달한다.
제1 광학부재(210)의 제2 렌즈(210b)의 경우 지름이 50mm이고 유효초점거리 EFL은 75.0mm인 비교적 큰 구경의 렌즈가 사용되어 제1 렌즈(210a)로부터의 광을 평행광으로 변환하여 제2 광학부재(220)에 전달한다.
제2 광학부재에 이용된 렌즈는 지름(Φ)이 50.0mm이고 유효초점거리 EFL은 100.0mm인 렌즈가 이용되었으며 제1 광학부재와 대향하는 제2 렌즈의 면이 비교적 큰 + 곡률을 가진다.
본 실시예에서 레이저 빔의 스폿 패턴은 4개의 광섬유 수용부를 이용한 경우 도 3e에 도시된 바와 같이 4각 형태로 배열된 4개의 레이저 빔 스폿이 얻어질 수 있으며, 각각의 스폿은 지름이 0.73mm였다. 이와 같은 구조는 다수의 광섬유에서 나오는 빔을 1열로 정열하여 넓은 면적을 일열로 쓸고 지나가는 형태로 제1 실시예에 비교하여 낮은 에너지 가공이 가능한 광학 구조를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따르면 하나의 광섬유에서 발생하는 에너지 전송의 한계를, 하나 이상의 광섬유에 임계값 이하의 에너지로 분산하여 각각의 광섬유에 전송하는 구조를 가지게 되고, n개의 광섬유를 통하여 필요한 높은 에너지를 이용가능하게 된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속하는 것으로 해석되어야만 한다.
10: 고출력 레이저 빔 전송 장치 100: 광섬유 수용부
110: 하우징 130: 정수 필터
140: 배수구 200: 광 균질화부
300: 노즐부 210: 제1 광학부재
220: 제2 광학부재

Claims (6)

  1. 각각 레이저 발생기로부터 발생된 펄스 레이저를 전달하는 광섬유 및 광섬유를 하우징하는 커넥팅 블록으로 이루어진 복수의 광섬유 수용부를 포함하는 광섬유수용부 어셈블리;
    광섬유 수용부 어셈블리 내의 복수의 광섬유 수용부로부터 출사된 광을 평행광으로 변환하고 평행광으로 변환된 광을 초점에 수렴시켜 출사하는 광 균질화부; 및
    광 균질화부로부터의 광이 출사되는 노즐부를 포함하고,
    상기 광 균질화부는 출사되는 광을 하나의 초점에 수렴시키도록 구성되며,
    상기 광 균질화부는 출사되는 광을 1 X n의 일렬로 정렬된 복수의 초점에 수렴시키도록 구성되고, 여기서 n 은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수인 것을 특징으로 하는
    원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 균질화부는 출사되는 광을 N X N으로 정렬된 복수의 초점에 수렴시키도록 구성되고, 여기서 N은 광섬유 수용부 어셈블리 내에 배치된 광섬유 수용부의 수인 n의 1/2인 것을 특징으로 하는
    원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광 섬유를 하우징하는 커넥팅 블럭 내에는 물이 충전되어 있고,
    상기 광 균질화부 내부에는 공기 또는 가스가 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는
    원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광 균질화부는 제1 광학부재를 포함하고,
    제1 광학부재는 광섬유 수용부의 물과 대면하여 물을 통과한 레이저 빔이 입사되는 평편한 제1 면 및 레이저 빔이 출사되는 공기층과 대면하는 볼록한 제2 면을 포함하는 것을 특징으로 하는
    원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광 균질화부는 제2 광학부재를 더 포함하고,
    제2 광학부재는 레이저 빔이 입사되는 공기층과 대면하는 볼록한 제1 면 및 레이저 빔이 출사되는 목표물측의 물과 대면하는 평편한 제2 면을 포함하는
    원자력 발전소에서 이용가능한 수중 고출력 레이저 빔 전송 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07140350A (ja) * 1993-11-17 1995-06-02 Fanuc Ltd 光伝送器
JP2005081368A (ja) * 2003-09-05 2005-03-31 Tokyo Electric Power Co Inc:The 水中レーザ補修溶接装置及び水中レーザ補修溶接方法

Patent Citations (2)

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