KR19980085623A - Optical Fiber Damage Monitoring Device for Laser Transmission - Google Patents

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KR19980085623A KR1019970021759A KR19970021759A KR19980085623A KR 19980085623 A KR19980085623 A KR 19980085623A KR 1019970021759 A KR1019970021759 A KR 1019970021759A KR 19970021759 A KR19970021759 A KR 19970021759A KR 19980085623 A KR19980085623 A KR 19980085623A
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김성년
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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.The present invention relates to an optical fiber connecting device comprising a visible light indicating laser (1) of a laser processing device and an optical fiber connecting device (6) for injecting the indicating laser into a laser transmission optical fiber by matching the optical path with the processing laser. In particular, the optical detector 8 for measuring the intensity of the indicating laser reflected from the optical fiber exit end surface after reciprocating the optical fiber, the photodetector 9 for measuring the output of the indicating laser, and the indicating laser are optical fibers. A polarization beam splitter 4 for maintaining the polarization before being incident on the beam and separating and detecting the indicating laser reflected from the optical fiber plane for each polarizing component, and a photodetector for measuring the output of the indicating laser. ) And the signal of the photodetector 8 for measuring the intensity of the laser reflected back from the optical fiber cross-section, and out of the preset threshold range. In the case of providing an optical fiber state monitoring device, characterized in that consisting of a signal processing device 10 for outputting an abnormal state of the optical fiber transmission state, by using the optical fiber connection device and laser for transmission used for laser welding, By selectively measuring the laser beams reflected from both ends of the optical fiber using a polarizer, it is possible to monitor the damage and contamination of the optical fiber in real time.

Description

레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치Optical Fiber Damage Monitoring Device for Laser Transmission

본 발명은 고출력 레이저 가공시에 레이저 전송용 광섬유의 파손상태를 실시간으로 감시하기 위한 레이저 전송용 광섬유 손상 감시장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber damage monitoring apparatus for laser transmission for monitoring in real time the damage state of the optical fiber for laser transmission during high power laser processing.

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.In general, laser processing technology has the advantage that the remote processing by the optical fiber long distance transmission is possible. Most laser remote processing is achieved by transmitting the laser light from the laser oscillator to the actual processing space by using the laser transmission fiber. In case of a problem in the state of the optical fiber during the processing, the high power laser light is out of the optical path and processed into the processing optical system. Not only does it cause damage, but it can also cause fatal damage to workers' safety.

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.Therefore, the real-time monitoring of the state of the laser transmission optical fiber is very important in the laser remote processing using the optical fiber, but most laser processing head portion is often installed in a bad condition such as a narrow space or a radiation zone, there is a problem that the monitoring is not easy.

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.In addition, conventional optical methods for monitoring a laser transmission optical fiber include a method of comparing a reflected optical signal by installing a separate photodetector next to a fiber coupler, and a separate optical fiber for monitoring next to the transmission optical fiber. There is also a method to monitor the alignment and damage by measuring the laser leaking through the cladding (additional).

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.Teleprocessing technology through fiber optic transmission of high power lasers began to spread in the 1980s, and fiber optic monitoring technology also began to be developed. However, due to the limitation that it is difficult to install a separate device in the work space, there is still no reliable optical fiber monitoring technology. Optical fiber monitoring in laser teleprocessing is a remote monitoring concept using fiber optics. Several methods have been developed. Conventional optical methods for monitoring high-power laser transmission optical fibers for processing include a separate photodetector (PHOTO-DETECTOR) next to the fiber coupler (FIBER COUPLER) as in US Patent 4,812,641 (HIGH POWER OPTICAL FIBER FAILURE DETECTION SYSTEM). By measuring and comparing the intensity of the laser light input to the optical fiber and the laser light output from the optical fiber, there is a method for monitoring the health of the optical fiber and the alignment of the optical system. This method basically uses the principle of monitoring the optical fiber's health by measuring the transmission of the optical fiber. In addition, U.S. Patent 5,319,195 (LASER SYSTEM METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING A MATERIAL PROCESSING OPERATION AND FOR INDICATION G THE STATE OF THE OPERATION) attaches a separate monitoring fiber next to the laser transmission fiber to measure the laser light leaking by CLADDING And a method of monitoring for damage. However, these methods have many limitations due to the complexity of installing separate optical fiber optics for monitoring in addition to the processing transmission fiber. Therefore, the real-time monitoring technology of the conventional optical fiber is composed of additional optical fiber optics. Due to this complexity, it was difficult to apply in actual field, and it was not universalized.

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.An object of the present invention for solving the above problems is to selectively transmit the laser beams reflected from both ends of the optical fiber by using a polarizer using a transmission optical fiber connection device and an indication laser used for laser welding. The present invention provides an optical fiber damage monitoring device for laser transmission that can monitor in real time the damage and contamination of the optical fiber.

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.That is, in the present invention, a polarizing beamsplitter is introduced into the surveillance optical system to separate the indicating laser signal reflected from both sides (the incidence part and the output part) of the end of the transmission fiber, and reflect from the optical fiber output surface to reciprocate the optical fiber. By measuring only the laser signal returning to the bottom row, a method of obtaining a signal having a high S / N ratio has been proposed. In addition, this method does not have to install a separate optical fiber to monitor the laser transmission optical fiber, and by installing several optical components such as a polarization beam splitter in the optical fiber connection device, it is possible to monitor the optical fiber for damage and contamination in real time. To help.

도1은 광섬유 상태 감시장치 구성도1 is a schematic diagram of an optical fiber state monitoring device

도2는 편광 빔분활기를 사용한 감시용 레이저신호의 측정 원리도Figure 2 is a principle diagram of the monitoring laser signal using a polarizing beam splitter

도3은 광섬유 끝단에 불순물이 묻었을때의 감시신호 측정결과3 shows the result of monitoring signal measurement when impurities are on the optical fiber ends

도4는 광섬유 끝단에 불순물이 묻었을때의 감시신호 측정결과4 is a result of monitoring signal measurement when an impurity is deposited on an optical fiber end

도5는 광섬유가 휘어져 절단될때의 감시신호 측정결과5 shows the results of monitoring signal measurement when the optical fiber is bent and cut

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

1 : 지시용 레이저2 : 빔 분활기1: indicating laser 2: beam splitter

3 : 빔 확대기4 : 편광 빔 분할기3: beam expander 4: polarized beam splitter

5 : 대역필터6 : 광섬유 연결장치5: Band filter 6: Optical fiber connection device

7 : 집속렌즈8, 9 : 광검출기7: Focusing lens 8, 9: Photodetector

10 : 신호처리장치11, 12 : 광섬유10: signal processing device 11, 12: optical fiber

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:A feature of the present invention for achieving the above object is a visible light indicating laser 1 of a laser processing apparatus, and an optical fiber connecting apparatus optical system for causing the indicating laser to enter the laser transmission optical fiber by matching the processing laser with the optical path 6 In fiber optic connectors consisting of:

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.A first photodetector 8 for measuring the intensity of the indicating laser returned from the optical fiber exit cross section after reciprocating the optical fiber, a second photodetector 9 for measuring the output of the indicating laser, and the indicating laser Polarization beam splitter 4 for maintaining the polarization before the light is incident on the optical fiber and separating and detecting the instruction laser that is reflected and returned from the optical fiber plane by polarization components, and a second measuring output of the instruction laser. A signal that outputs an abnormality in the optical fiber transmission state when the signal is out of the preset threshold range by comparing / processing the signal of the photodetector 9 and the first photodetector 8 for measuring the intensity of the laser reflected from the cross section of the optical fiber. It consists of the processing apparatus 10.

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.As an additional feature of the present invention for achieving the above object, the polarizing beam splitter 4 has an indication laser that is transmitted by the polarization direction reflected from the incidence plane of the transmission optical fiber and is reflected from the emission plane of the transmission optical fiber. Is partially transmitted and partially reflected, so that the photodetector which detects the indicating laser reflected at the optical fiber cross section is configured to detect only the indicating laser reflected by the optical fiber exiting surface.

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.As an additional feature of the present invention for achieving the above object, the signal processing device 10 is a laser that reflects from the optical fiber cross-section is mixed with the light that is reflected or scattered from the processing specimen is reflected from the optical fiber exit cross-section If it is difficult to discriminate and measure only the signal, the output intensity of the indicating laser is modulated at a constant frequency and only the frequency component is processed from the measured laser signal, thereby eliminating the noise effect of the optical signal from the processed specimen.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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.1 is a configuration diagram of an optical fiber connection device and a signal measuring device configured for optical fiber breakage and surface condition monitoring. The laser 1 for indicating the visible light of the laser processing device and the indicating laser are made to match the processing laser and the optical path. The optical fiber connector consisting of the optical system 6 for injecting into the transmission optical fiber, the second photodetector 9 for measuring the output of the indicating laser, and maintaining the polarization before the indicating laser enters the optical fiber. And a polarization beam splitter (4) for separating and detecting the indicating laser reflected by the optical fiber in terms of polarization components, and measuring the intensity of the indicating laser reflected from the optical fiber exit section after the optical fiber is reciprocated. 1 includes a photodetector 8 and a signal processing apparatus 10 for processing an indication laser intensity signal measured by two photodetectors.

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.Looking at the operation of the optical fiber damage monitoring device for laser transmission according to the present invention configured as described above, the processing laser from the oscillator is transmitted to the first optical fiber 11 is inserted into the processing specimen from the optical fiber connection device (6) 2 is transmitted to the optical fiber 12. In this step, the intensity of the indicating laser which is incident on the optical fiber (usually using a visible light diode laser) 1 and the indicating laser which is reflected from the optical fiber exiting surface returning to and returning from the optical fiber is measured. By comparing these two signals, it is possible to monitor the state of the optical fiber optical system.

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.In this case, the optical fiber for high power laser transmission is generally composed of four layers, the innermost layer of which is an optical fiber core part, the outermost part of which is a cladding part, the outer part of which is a buffer layer, and an outer part of the buffer layer. There is a protective tube. The core part of the optical fiber is made of high purity silica glass, and the refractive index is larger than that of the cladding part so that the laser beam is transmitted along the core without going out to the cladding part by total internal reflection. The refractive index of the buffer portion is larger than the cladding portion, so that when light exits the core through the cladding portion, it is transmitted through the buffer layer. This abnormal transmission causes many problems. If the optical fiber is broken or there are impurities in the surface or misalignment, the beam exits the core and rides through the buffer layer, thereby attenuating the laser signal of the core portion.

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.Therefore, this apparatus monitors the transmission state by comparing the laser signal of this core part with an input signal. In addition, the apparatus installs a polarizing beamsplitter in front of the laser to measure only the intensity of the indicating laser beam reflected back from the optical fiber output surface.

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.Referring to FIG. 2 attached to the measurement principle of the monitoring laser signal using the polarizing beam splitter operating as described above, when the beam polarized in the horizontal direction is incident on the optical fiber cross section is partially reflected from the incident surface and the exit surface of the optical fiber Come back. Since the beam reflected from the optical fiber incident surface is maintained in the horizontal direction, the first light detector 8 is not detected by just passing through the polarization beam splitter 4, but the beam reflected from the optical fiber exit surface is broken. As a result, it is reflected by the polarization beam splitter (partially about 1/2) and detected by the first photodetector 8.

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.Since this signal is a laser beam that has traveled back and forth through the fiber, it has information about the fiber condition. In other words, the proposed configuration eliminates the signal at the optical fiber incidence plane by introducing a polarizing optical component, and selectively detects only the signal reflected at the optical fiber exit face which has information on the state of the optical fiber. The S / N ratio is more than doubled to monitor the fiber condition.

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.At this time, the laser which is used a lot in laser processing is Nd: YAG laser or CO2 laser and is not visible to the naked eye because the wavelength is infrared region. Therefore, in the laser processing operation, an indication laser having a wavelength in the visible light region is installed / used by matching the optical path with the laser for the alignment of the optical system and the selection of the working position.

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.In other words, by monitoring the optical fiber transmission state by measuring the laser signal transmitted to the optical fiber reflected from the exit surface of the optical fiber, in this configuration that introduces a polarizer, the laser signal reflected from the optical fiber incident surface is removed and the laser signal reflected from the optical fiber entrance surface is removed. By selective measurement, the S / N ratio of the monitoring signal can be increased more than twice.

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.The present invention removes the indicating laser signal reflected from the optical fiber incident surface by introducing a polarizing optical component, and selectively detects only the indicating laser signal reflected from the optical fiber exit surface having information on the transmission state of the optical fiber. It increases the S / N ratio of more than twice and monitors the fiber condition.

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.The apparatus of the present invention actually confirmed the usability through experiments. The experiment used a step index high-power laser transmission optical fiber with a core diameter of 800um and obtained monitoring results in the case of impurities such as water at the end of the optical fiber and when the optical fiber was broken, thus proving that the optical system can be monitored in real time. It was.

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.That is, in order to prove the utility of the present invention, the optical fiber damage monitoring experiment was performed using a high power Nd: YAG laser transmission optical fiber and an indication laser (5mW, 633nm). In addition, the experiment was also modulated while modulating the output of the indicating laser in order to confirm that status monitoring is possible regardless of the output of the indicating laser. Mitsubishi's optical fiber (diaguide ST series step index MRT # ST800G-SY) with a core diameter of 800um was used, the photodetector used a PIN photo-diode, and a half width to selectively extract the indicating laser. A bandpass filter having a (FWHM) of 10 nm was used. The laser signal in this experiment was processed with a digital oscilloscope (lecroy 9304A).

도 3은 광섬유 끝단에 물이 묻었을때의 감시신호 측정실험 결과이다.3 shows the results of monitoring signal measurement experiments when water is applied to the optical fiber ends.

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.In the figure, ch.1 is the laser input signal, ch.2 is the signal returned through the optical fiber, and ch.D is the actual monitoring signal as the ratio of two signals (signal 2 / signal 1). The big change in the initial signal is the moment when water gets on the optical fiber output section, and the middle fluctuation shows the severe change in the laser reflectivity in the process of blowing water from the optical fiber end to compressed air.

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.FIG. 4 is a measurement result when modulating the intensity of a directing laser. The input signal and the output signal are experimentally modulated by the sine waveform of the output of the actual monitoring signal. Is the same as This characteristic means that when the indicating laser signal is mixed with other miscellaneous signals, for example, when the indicating laser signal is mixed with the optical signals generated by the plasma generated from the processed specimen, the intensity of the indicating laser is modulated to a specific frequency and only the signal at that frequency is measured. It can be used to remove the signal jam.

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.5 is a monitoring signal measurement result when the laser transmission optical fiber is bent and broken. It can be seen that the attenuation of the signal in the process of bending the optical fiber, and the signal attenuation after the break is also clearly shown. The results of this experiment show that the monitoring device can detect whether the laser processing part is contaminated or whether the laser transmission fiber is damaged.

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.When providing a laser transmission optical fiber damage monitoring device according to the present invention that operates as described above, using a transmission optical fiber connection device and an indication laser used for laser welding, the laser beams reflected from both ends of the optical fiber to the polarizer ( By selective measurement using a polarzer, it is possible to monitor the damage and contamination of the optical fiber in real time.

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:In an optical fiber connecting device comprising a visible light indicating laser (1) of a laser processing device and an optical fiber connecting device (6) for injecting the indicating laser into a laser transmission optical fiber by matching the optical path with the processing laser: 광섬유를 왕복한 후 광섬유 출사 단면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저의 세기를 측정하는 제 1 광검출기(8)와;A first photodetector 8 for measuring the intensity of the indicating laser returned from the optical fiber exit cross section after reciprocating the optical fiber; 지시용 레이저의 출력을 측정하는 제 2 광검출기(9)와;A second photodetector 9 for measuring the output of the indicating laser; 지시용 레이저가 광섬유에 입사되기 전에 편광을 유지시 켜 주고 광섬유 면에서 반사되어 돌아오는 지시용 레이저를 편광 성분별로 분리하여 검출하기 위한 편광 빔분할기(4); 및A polarization beam splitter 4 for maintaining the polarization before the instruction laser is incident on the optical fiber and detecting and separately detecting the instruction laser which is reflected from the optical fiber plane for each polarization component; And 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 것을 특징으로 하는 광섬유상태 감시장치.Comparing / processing the signals of the second photodetector 9 measuring the output of the indicating laser and the first photodetector 8 measuring the intensity of the laser reflected back from the optical fiber cross section, thus exceeding a preset threshold range. The optical fiber state monitoring device, characterized in that consisting of a signal processing device 10 for outputting an abnormal state of the optical fiber transmission state. 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.2. The polarizing beam splitter (4) according to claim 1, wherein the polarization beam splitter (4) transmits the indicating laser whose polarization direction is reflected at the entrance face of the transmission optical fiber, and partially transmits the indicating laser reflected at the exit face of the transmission optical fiber. And an optical detector (8) which is configured to reflect and detects the indicating laser reflected at the optical fiber cross-section, so as to detect only the indicating laser reflected by the optical fiber exiting surface. 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.2. The signal processing apparatus 10 of claim 1, wherein the signal processing device 10 is difficult to discriminate and measure only a laser signal reflected from an optical fiber cross-section due to mixing of the laser indicating the light reflected from the optical fiber exit cross-section with the light reflected or scattered from the processed specimen. In this case, the optical fiber state monitoring device, characterized in that to remove the noise effect of the optical signal from the processed specimen by modulating the output intensity of the indicating laser to a predetermined frequency and processing only the frequency component from the measured laser signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100622577B1 (en) * 2004-05-27 2006-09-19 선문대학교 산학협력단 Apparatus for improving detection sensitivity of optical fiber sensor and monitoring system using the same

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