KR20030075342A - 광섬유의 잔류응력 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 광섬유의 잔류응력 측정 장치에 있어서, 잔류응력을 측정하고자 하는 광섬유를 고정시키기 위한 고정부와; 상기 고정부에 고정된 광섬유의 잔류응력 측정을 위한 광을 발생시키는 광 발생장치, 상기 광 발생장치로부터 발생되어 상기 광섬유를 투과한 광을 검출하는 디텍터 및, 상기 광섬유의 원주방향을 따라 선회하면서 상기 광섬유를 투과한 광의 위상 변화로부터 상기 광섬유의 잔류응력을 측정하는 측정부를 구비함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치에 관한 것이다. 상기와 같이 구성된 광섬유의 잔류응력 측정 장치는 잔류응력 측정부가 광섬유의 원주방향으로 선회하면서 잔류응력을 측정하게 되므로, 광섬유의 잔류응력 분포를 정확하게 측정하는 것이 가능하며, 이로써 광섬유 잔류응력의 비대칭성까지 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

광섬유의 잔류응력 측정 장치 {RESIDUAL STRESS MEASURING DEVICE FOR OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유에 관한 것으로서, 특히 광섬유의 잔류응력 측정을 위한 장치에 관한 것이다.
광섬유를 제작하는 과정에서 발생되는 응력(stress)이 제작된 후 제거되지 못하고 일부가 광섬유 안에 남아있게 된다. 이것을 잔류응력(residual stress)이라고 한다. 잔류응력 측정은 고 품질 광섬유 생산 및 특수 광섬유 개발과 그 특성연구를 위해 필수적인 요소이다.
광섬유의 생산과정인 고온의 인출 공정에서 발생하는 잔류응력은 광섬유의 광 산란에 의한 광손실을 증가시키고, 광탄성(photoelastic) 현상에 의해 굴절률 변화를 일으키게 된다. 따라서, 고 품질의 광섬유를 제작하기 위해서는 잔류응력을 억제시키는 광섬유 생산(인출) 기술을 개발하여야 한다. 이러한 잔류응력 억제기술 개발을 위해서는 광섬유의 잔류응력을 측정할 수 있는 장비개발이 필수적으로 요구된다.
또한, 최근들어 광섬유의 잔류응력을 주기적으로 일부분 해소시키는 방법으로 장주기 광섬유 격자(long-period fiber grating)를 개발하고 있다. 이 소자의 스펙트럼 투과특성을 연구하고 특성향상을 위한 연구들을 수행하기 위해서는 잔류응력 변화에 의한 굴절률 변화와 광섬유의 길이 방향으로 잔류응력의 분포를 주기적으로 측정할 필요가 있다. 이에 더하여 잔류응력에 의한 굴절률 변화 즉, 광탄성 효과의 도핑 물질 변화에 따른 변화 및 비선형 현상에 대한 심층적인 연구가 필요하다. 이러한 목적을 위해서는 광섬유의 잔류응력 및 광탄성 효과를 삼차원적으로측정 및 관찰할 수 있는 측정장비의 개발이 필요하다.
광섬유나 광섬유 모재(preform)의 잔류응력 측정은 광탄성 효과를 이용하여 측정되는데, 광탄성 효과는 매질에 남아있는 응력의 방향에 따라 매질의 굴절률이 변하는 현상이다. 이 광탄성 효과 때문에 광섬유 또는 그 모재의 굴절률 값은 빛의 편광 방향에 따라 변하는 성질을 갖게 된다.
이러한 광섬유 잔류응력 측정 방법은 피. 엘. 추(P. L. Chu)와 티. 화이트브래드(T. Whitebread)의 논문 'Measurement of stresses in optical fiber and preform, Appl. Opt. 1982, 21, pp. 4241~4245 를 시작으로 측정 방법 및 측정 장치에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 또한, 광탄성 효과에 의해 광섬유를 투과한 빛의 위상변화를 통해 광섬유의 잔류응력을 산출하는 방법은 본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허 출원번호 제00-12395호(2000년 3월 31일)에 개시되고 있다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치(10)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 일 실시예에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치(10)는 광 발생장치(11), 렌즈계(13), 반사경(15), 집속렌즈부(17a), 대물렌즈부(17b) 및 디텍터(19)를 구비하며, 잔류응력을 측정하고자 하는 광섬유(30b)는 소정 평판(30a)에 고정되어 상기 집속렌즈부(17a)와 대물렌즈부(17b) 사이에 설치된다.
상기 광 발생장치(11)로부터 출력되는 광은 상기 렌즈계(13)를 진행하면서 평면파로 전환되며, 평면파로 전환된 광은 상기 반사경(15) 및 집속렌즈부(17a)를통해 상기 광섬유(30b)에 입사되고, 상기 광섬유(30b)에 입사된 광은 상기 광섬유(30b)의 잔류응력 여부에 따라 위상이 변화되며, 상기 대물렌즈부(17b)에서 일정 방향으로 편광된 광이 상기 디텍터(19)를 통해 검출되어 잔류응력을 산출하게 된다.
그러나, 광섬유를 평판에 놓고 잔류응력을 측정하는 방식은 한 방향에서만 잔류응력을 측정하게 되며, 다른 방향의 잔류응력을 측정하기 위해서는 광섬유를 측정하고자 하는 방향에 맞게 다시 셋팅(setting)해야만 한다. 이는 실험조건이 달라져 잘못된 잔류응력 분포값이 측정될 위험이 있으며, 따라서, 잔류응력 분포를 입체적으로 측정할 수 없으므로, 광섬유 잔류응력 분포의 비대칭성을 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 정확한 광섬유의 잔류응력 분포를 얻을 수 있는 측정 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광섬유의 잔류응력 측정 장치에 있어서, 잔류응력을 측정하고자 하는 광섬유를 고정시키기 위한 고정부와; 상기 고정부에 고정된 광섬유의 잔류응력 측정을 위한 광을 발생시키는 광 발생장치와, 상기 광 발생장치로부터 발생되어 상기 광섬유를 진행한 광의 위상 변화를 검출하는 디텍터를 포함하고, 상기 광섬유의 원주방향을 따라 선회하면서 검출되는 상기 광섬유를 진행한 광의 위상 변화로부터 상기 광섬유의 잔류응력을 측정하는측정부를 구비하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치를 개시한다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 광섬유 잔류응력 측정 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치를 설명하기 위한 도면,
도 3는 도 2에 도시된 고정부를 나타내는 분리 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100 : 잔류응력 측정 장치 110 : 고정부
111a : 석영튜브 113 : 캡
115 : 광섬유 150 : 측정부
151 : 광 발생 장치 153 : 렌즈계
155 : 디텍터 A : 회전축
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치(100)를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 고정부(110)를 나타내는 분리 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치(100)는 크게 고정부(110)와 측정부(150)를 구비하며, 상기 측정부(150)는 상기 고정부(110)를 중심으로 선회하면서 광섬유(115)의 잔류응력을 측정할 수 있도록 회전 가능하게 설치된다.
상기 고정부(110)는 잔류응력을 측정하고자 하는 광섬유(115)를 고정시키는 역할을 수행한다. 상기 고정부(110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 석영 튜브(111a)와, 캡(113)을 구비하며, 상기 광섬유(115)는 상기 캡(113)에 고정되어 상기 석영 튜브(111a) 내에 위치하게 된다.
상기 석영 튜브(111a)의 일단은 폐쇄단(111b)이며, 타단은 개방단(111c)으로, 상기 석영 튜브(111a)의 개방단(111c)에는 상기 캡(113)이 결합된다. 상기 캡(113)이 결합되어 밀폐된 석영 튜브(111a)의 내부는 굴절률 매칭오일(refractive index matching oil)(119)로 충진된다. 이는 상기 광섬유(115)의 굴절률과 상기 광섬유(115)를 둘러싸는 공기와 같은 외부 환경이 가지는 굴절률 차에 의해, 잔류응력 측정을 위한 광이 상기 석영 튜브(111a) 내의 상기 광섬유(115)에 입사될 때 위상, 경로 등의 변화를 방지하기 위함이다.
상기 광섬유(115)를 상기 캡(113)에 고정시키고 굴절률 매칭 오일(119)이 충진된 상기 석영 튜브(111a) 내에 위치시켜 잔류응력을 측정하게 된다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 측정부(150)는 광 발생장치(151), 렌즈계(153), 집속렌즈부(159a), 대물렌즈부(159b) 및 디텍터(155)를 구비하며, 부가적으로 반사경(157) 등을 더 포함할 수 있다. 상기 측정부(150)는 상기 광 발생장치(151)로부터 발생된 광이 상기 고정부(110)에 고정된 광섬유(115)를 지나면서 겪게되는 위상 변화를 감지하므로써 상기 광섬유(115) 내의 잔류응력을 측정하게 되는 것이다.
상기 광 발생장치(151)는 광섬유의 잔류응력 측정을 위한 광을 발생하는 장치로서, 상기 광 발생장치(151)로부터 출력되는 광의 스펙트럼이 좁을수록, 즉, 출력되는 광의 파장이 단파장에 가까울수록 잔류응력 측정에 유리하다. 이는 단파장의 광이 광섬유를 투과하였을 때, 위상 변화 값이 단일한 값으로 나타나기 때문이다. 이러한 특성을 고려하여, 상기 광 발생장치(151)의 광원으로는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저 또는 아르곤 이온(Ar ion) 레이저 등이 많이 이용된다.
상기 렌즈계(153)는 상기 광 발생장치(151)로부터 출력되는 광을 평면파(plane wave)로 전환하는 장치로서, 적어도 하나 이상의 볼록렌즈 및 오목렌즈를 이용하며, 이때 볼록렌즈 및 오목렌즈의 곡률 및 곡률에 따른 초점거리에 따라 적절한 위치에 렌즈들을 배치하므로써, 상기 광 발생장치(151)로부터 출력되는 광을 평면파로 전환하게 된다.
상기 디텍터(155)는 상기 광 발생장치(151)로부터 출력되어 상기 고정부(110)에 고정된 광섬유(119)를 투과한 광이 상기 광섬유(119)의 잔류응력에 의한 광탄성 효과 때문에 발생하는 위상변화를 검출하는 장치로, CCD 어레이와 같이 입사된 광의 세기 분포를 측정할 수 있는 소자등을 이용하며, 상기 디텍터(155)로부터 검출되는 광의 위상변화를 이용하여 광섬유 내의 잔류응력을 산출하게 된다. 이는 상기 광섬유(119)의 잔류응력의 유무, 잔류응력의 방향성 등에 따라 상기 광섬유(119)의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과를 이용하므로써 가능한 것이다.
상기 반사경(157)은 상기 렌즈계(153)를 통해 평면파로 전환된 광을 상기 고정부(110)에 고정된 광섬유(119)에 입사되는 경로로 이동시키기 위한 장치로 필요에 따라 부가되는 장치이며, 거울 등을 이용할 수 있으며, 전반사 특성을 가져야 한다.
상기 집속렌즈부(159a)는 편광판, 집속렌즈 등으로 구성된다. 상기 편광판은 평면파로 전환된 광 중에서 일정 편광방향의 광만을 투과시켜 상기 디텍터(155)가 광의 위상변화 검출을 용이하게 한다. 상기 집속렌즈는 상기 고정부(110)의 석영 튜브(111a)에 의해 발생할 수 있는 측정 오차를 보상하기 위한 장치이다. 상기 석영 튜브(111a)는 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 그 형상에 의해 발생하는 굴절률, 광의 입사각에 따른 광의 진행 경로 변화 등이 상기 고정부(110) 내에 고정된 광섬유(119)의 잔류응력 측정값에 오차를 일으킬 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 석영 튜브(111a) 재질의 고유 특성에 따른 굴절률, 형상에 따른 곡률 등에 따라 상기 집속 렌즈(159)의 굴절률 및 곡률이 결정되어, 상기 석영 튜브(111a)에 의해 발생할 수 있는 측정 오차를 보상하며, 광의 진행 경로의 변화를 보정하게 된다.
상기 고정부(110)는 상기 렌즈계(153)와 상기 디텍터(155)의 사이에, 또는 상기 반사경(157), 집속 렌즈(159) 등이 부가되었을 때에는 상기 집속 렌즈(159)와 상기 디텍터(155) 사이에 설치된다. 상기 측정부(150)는 상기 고정부(110)에 고정된 광섬유(119)의 중심축을 회전축(A)으로 하여 상기 광섬유(119)의 원주방향으로 선회하면서 상기 광섬유(119)의 잔류응력을 측정하게 된다.
상기 대물렌즈부(159b)는 편광분석기, 대물렌즈 등으로 구성된다. 상기 편광분석기는, 상기 집속렌즈부(159a)의 편광판에 의해 상기 광섬유로 입사되는 일정 방향의 광이 상기 광섬유(115)의 잔류응력 여부에 따라 변화된 위상 중에서, 일정 방향, 예를 들어 상기 광섬유(115)의 지름 방향에 대한 광만을 선택적으로 투과시켜, 상기 디텍터(155)가 광의 위상변화 검출이 용이하게 한다. 즉, 평면파 광을 직접 광섬유(115)에 입사시켰을 때, 여러 위상의 광이 동시에 상기 디텍터(155)로 입사되어 위상변화의 검출이 어렵기 때문에, 편광판 및 편광분석기를 사용하게 되는 것이다. 즉, 상기 집속렌즈부(159a)와 대물렌즈부(159b)는 상기 디텍터(155)가 광의 위상변화를 검출하기 용이하게 하는 장치들이다.
이상 살펴본 바와 같이, 상기 광 발생장치(150)로부터 출력된 광은 상기 렌즈계(153)에 의해 평면파의 광으로 전환되어, 상기 고정부(110) 내의 광섬유(119)로 입사되어 진행하게 된다. 이때, 상기 렌즈계(153)에 의해 평면파로 전환된 광은상기 반사경(157)을 통해 상기 광섬유(119)로 입사될 수 있다. 상기 광섬유(119)로 입사되는 광의 입사각이 상기 광섬유(119)에 대하여 수직이 되도록 상기 반사경(157)의 반사각이 설정되어야 한다. 또한, 상기 광섬유(119)의 잔류응력 이외의 다른 요소에 의해 상기 평면파로 전환된 광이 왜곡되는 것을 방지하기 위하여, 상기 석영 튜브(111a)의 내부는 굴절률 매칭 오일(119)로 충진되며, 상기 석영 튜브(111a) 자체의 굴절률과 곡률의 영향을 최소화하기 위하여 상기 집속 렌즈(159)를 설치하며, 상기 광섬유(115)로 입사되는 광 및 상기 디텍터(155)로 입사되는 광은 각각 일정 방향의 광만 입사될 수 있도록 편광판 및 편광 분석기가 광 입력측에 설치된다.
상기와 같이 구성된 광섬유의 잔류응력 측정 장치(100)는, 상기 광섬유(119)가 고정된 고정부(110)는 고정된 채로 상기 측정부(150)의 광 발생장치(151)와 디텍터(155)가 상기 고정부(110)를 중심으로 상호 대향되게 설치되어 상기 광섬유(119)의 원주방향으로 선회하므로써, 상기 광섬유(119)의 잔류응력을 측정하게 되므로, 광섬유의 잔류응력뿐 만 아니라 잔류응력 분포의 비대칭성까지 측정할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유의 잔류응력 측정 장치는 잔류응력 측정부가 광섬유의 원주방향으로 선회하면서 잔류응력을 측정하게 되므로, 광섬유의 잔류응력 분포를 정확하게 측정하는 것이 가능하며, 이로써 광섬유 잔류응력의 비대칭성까지 측정할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 광섬유의 잔류응력 측정 장치에 있어서,
    잔류응력을 측정하고자 하는 광섬유를 고정시키기 위한 고정부와;
    상기 고정부에 고정된 광섬유의 잔류응력 측정을 위한 광을 발생시키는 광 발생장치, 상기 광 발생장치로부터 발생되어 상기 광섬유를 투과한 광을 검출하는 디텍터 및, 상기 광섬유의 원주방향을 따라 선회하면서 상기 광섬유를 투과한 광의 위상 변화로부터 상기 광섬유의 잔류응력을 측정하는 측정부를 구비함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 고정부는,
    일단이 폐쇄단이고 타단은 개방단인 석영 튜브와;
    상기 석영 튜브의 개방단에 결합되어 상기 석영 튜브를 밀폐시키며, 상기 광섬유를 상기 밀폐된 석영 튜브 내에 고정시키는 캡을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 측정부는, 상기 광 발생장치로부터 출력되는 광을 전면파로 전환하는렌즈계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 고정부의 석영 튜브는 굴절률이 피측정 광섬유의 굴절률과 유사한 물질로 충진됨을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 렌즈계에 의해 전면파로 전환된 광을 상기 광섬유에 입사되는 경로로 이동시키는 반사경을 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치.
  6. 제1 항 내지 제4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 석영 튜브의 굴절률과 곡률에 상응하게 제작되어, 상기 전면파로 전환된 광이 상기 석영 튜브를 투과하면서 상기 석영 튜브에 의해 발생하는 측정 오차를 보상하는 집속 렌즈를 더 포함함을 특징으로 하는 광섬유의 잔류응력 측정 장치.
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