KR20060135850A - 광학 모드 노이즈 평균화 장치 - Google Patents

광학 모드 노이즈 평균화 장치 Download PDF

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KR20060135850A
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에릭 씨. 휄슨
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졸로 테크놀러지스, 아이엔씨.
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Abstract

다중 모드 광섬유(302)와 다중 모드 광섬유(302) 내에 전파하는 빛의 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 수단(308)를 포함하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치(300)를 개시한다. 이 장치는 선택 주기 동안 다중 모드 광섬유(302)의 굴절률을 주기적으로 변화하고, 상기 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산을 스크램블링하여 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화할 수 있다. 다중 모드 광섬유의 굴절률은 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화하여 주기적으로 변화될 수 있다. 대안적으로, 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 조작함으로써 굴절률이 변형되거나 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산이 스크램블 될 수 있다.
다중 모드 광섬유, 모드 노이즈, 광학 장치, 평균화, 굴절률 변화, 온도 변화

Description

광학 모드 노이즈 평균화 장치{OPTICAL MODE NOISE AVERAGING DEVICE}
본 발명은 연소 모니터링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 모드 광섬유와 관련되는 모드 노이즈를 평균화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
미국에서 생산되는 전력의 대부분은 석탄 연소 발전소에서 생산된다. 전 세계적으로 유사하게 전기 생산의 태반은 주요 에너지원으로 석탄에 의존하고 있다. 석탄은 핵 발전에 의해 발생하는 폐기물과 관련된 장기적인 환경적 문제와 태양열 발전과 관련한 비효율성을 감안하면 가까운 장래에는 석탄이 주요 에너지원으로서의 지위를 유지할 것으로 보인다. 아울러, 거대한 전 세계적인 석탄 매장량은 현재와 같은 비율로 사용하여도 최소한 200년 동안 에너지를 생산하기에 충분하다.
그러나, 석탄 화력 발전에 관련한 오염물질의 방출을 감소시키고 석탄 화력 발전 프로세스의 전체적인 효율성을 증가시키고자 하는 강한 요구가 있어왔으며, 앞으로도 계속될 것이다. 전통적으로, 발전소와 다른 산업 연소 시설에 있어서, 연소 프로세스의 효율성과 오염물 방출의 정도는 채취한 가스 샘플을 비분산적적외선(non-dispersive infrared; NDIR) 광도 측정법(photometry)과 같은 기술로 측정하여 간접적으로 결정하였다. 가스 채취 시간과 최종 분석시간 사이에는 충분한 지연이 유도될 수 있기 때문에, 샘플 채취 시스템은 연소 프로세스의 폐 루프 제 어(closed loop control)에는 특히 적절하지 않다. 또한, 채취과정은 일반적으로 한 점 측정이 되기 때문에, 그 결과가 매우 변화가 심하며, 동적인 연소실 내의 측정된 물질의 실제 농도를 나타낼 수도 있고 아닐 수도 있다.
레이저 기반의 광학 성분 센서는 최근에 추출 측정 기술과 관련되어 관심을 끌고 있다. 레이저 기반의 측정 기술은 현장에서 즉시 측정을 할 수 있고, 또한 동적 프로세스 제어에 적합한 고속 피드백을 제공한다는 이점이 있다. 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(tunable diode laser absorption spectroscopy, 이하 TDLAS라 함)은 연소 가스의 성분, 온도 등의 연소 파라미터를 측정하는데 있어서 매우 유망한 기술이다. TDLAS는 석탄 연소 프로세스의 제어와 모니터링에 적합하다. TDLAS는 동일하게 다른 연소 프로세스의 모니터링에도 적합하다. 특히, 본문에 기재된 분광 기술은 제트 항공기 엔진 연소 파라미터를 모니터링하고 제어하는 데에 유용하다. TDLAS는 전형적으로 근적외선(near-infrared)과 중적외선(mid-infrared) 스펙트럼 영역에서 작동하는 다이오드 레이저를 사용한다. 텔레커뮤니케이션 산업에서 사용하기 위해 적합한 레이저들은 광범위하게 개발되어왔기 때문에, 이러한 레이저들은 TDLAS 어플리케이션에 즉시 사용이 가능하다. 연소 프로세스를 감지하고 제어하기에 적합한 다양한 TDLAS 기술들이 개발되어 왔다. 일반적으로 알려진 기술은 파장 변조 분광기술(wavelength modulation spectroscopy), 주파수 변조 분광기술(frequency modulation spectroscopy) 및 직접 흡수 분광기술(direct absorption spectroscopy)이 있다. 이러한 기술들은 연소실에 존재하는 가스들의 특성인 레이저 빛이 연소실을 통과하고 특정 스펙트럼 밴드에서 흡수된 후 검출기에 의해 수신된 레이저 빛의 양과 성질 사이의 일정한 관계에 기반을 두고 있다. 검출기로 수신된 흡수 스펙트럼은 온도와 같은 관련 연소 파라미터 외에 분석 중인 가스 성분의 양을 결정하는데 사용된다.
통상적인 석탄 화력 발전소는 일 측면에 10-20미터 크기의 연소실을 갖는다. 발전소는 분쇄된 석탄의 연소에 의해 가동되는데, 그 결과 연소 프로세스는 높은 먼지 부하량으로 인해 레이저 빛의 전달이 곤란하고, 매우 발광하게 된다. 또한, 이러한 환경하에서는 다양한 강한 교란이 발견된다. 프로세스 챔버를 통한 빛의 전체 전송률은 광대역 흡수, 굴절률 변동에 의한 빔조향(beam steering) 혹은 입자에 의한 산란의 결과로 시간이 지남에 따라 극적으로 변동할 것이다. 또한 연소중인 석탄 입자로부터 강한 열 배경 복사가 발생하여 검출기 신호에 간섭을 끼칠 수 있다. 발전소 보일러의 외부 환경 또한 TDLAS 검출의 또는 제어 시스템의 실행에 문제를 일으킨다. 예를 들면, 전자 부품, 광학 부품 또는 다른 민감한 감지 분광기술 구성 부품들은 강한 열로부터 먼 위치에 있거나, 적절하게 차폐되고 냉각되어야 한다. TDLAS 시스템의 실행이 이러한 조건 하에서는 매우 어렵다고 할지라도, TDLAS는 석탄 연소 프로세스를 모니터하고 제어하는 데에 가장 적합하다.
참조로 언급되고 있는 2004년 3월 31일자 출원된 "연소의 모니터링과 제어를 위한 방법 및 장치"로 표제된 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048 (공개 번호 WO2004/090496)에서 상세히 기재되는 바와 같이, 광섬유 결합은 TDLAS 시스템의 실행에 특히 바람직하다. 광섬유 결합 시스템에서, 여러 관련 파장의 다중화 빛으로 이루어진 하나 이상의 프로브 빔은 발신측(transmit) 광학 장치로 전달되어 연소실 내로 투사된다. 프로브 빔은 연소실을 횡단한 후에 수신측(receive) 광학 장치에 수신된다. 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048에서 기재된 바와 같이, 수신측 광학 결합장치에는 다중 모드 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 다중 모드 광섬유의 사용은 반드시 모드 노이즈를 초래하게 되는데, 이 모드 노이즈는 빛을 집합하고 전송하는 데에 사용되는 다중 모드 광섬유의 코어에서 비균일한 시간 및 파장 가변 광 분산에 따른 결과로 검출된 빛의 신호 레벨의 변화를 말한다. "수신"측 모드 노이즈는 유효한 TDLAS를 위해 관찰되어야 하는 흡수 특성을 불확실하게 할 수 있다.
모드 노이즈의 현상은 수신측 다중 모드 광섬유의 특징을 이루는 TDLAS 구현에 제한되지 않는다. 반대로, 모드 노이즈는 빛을 전송하고 있는 실질적인 길이의 다중 모드 광섬유에 필연적으로 발생하게 된다. 단일 모드 광섬유와 비교하여 더 큰 단면 직경의 다중 모드 광섬유가 전송된 빛이 수많은 광 경로나 모드를 따라 전파하도록 하기 때문에 모드 노이즈는 다중 모드 광섬유에서 필연적인 것이다. 몇몇의 경로 또는 모드는 다른 것 보다 더 길거나 짧을 수 있다. 따라서, 구성적 및 파괴적인 간섭은 반드시 발생하게 되어 통상의 모드 노이즈 스펙클 무늬(speckle pattern)를 발생시키는 다중 모드 광섬유의 코어에서의 비균일한 시간과 파장 가변의 광 분산을 초래하게 된다. 따라서, 모드 노이즈는 컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 또는 그 외 실질적인 길이의 다중 모드 광섬유를 사용하는 과학적 어플리케이션에서 발생하게 된다. 모드 노이즈가 임의의 광학 시스템의 효율성과 간섭하는지 안하는지는 특정 시스템의 조건에 따라 좌우된다.
본 발명은 상술된 문제들 중 하나 이상을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명은 다중 모드 광섬유 및 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 빛의 모드 잡음 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 수단을 포함하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치이다. 이 장치는 선택된 기간 동안 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변경하고, 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블하고, 또는 둘 다를 행하여 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화할 수 있다. 다중 모드 광섬유의 굴절률은 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변형함으로써 주기적으로 변형될 수 있다. 다중 모드 광섬유를 주기적 및 물리적으로 조작함으로써 굴절률을 변형하거나 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블할 수 있다.
다중 모드 광섬유의 온도는 다중 모드 광섬유와 열이 전달되도록 위치되는 써멀 엘리먼트(Thermal Element)의 작용으로 변화될 수 있다. 써멀 엘리먼트로 사용하기에 적당한 장치는, 열전기 모듈, 저항 히터, 적외선 히터, 화학적 히터, 종래의 냉장 장치, 화학적 냉각기, 주변 온도 이하로 냉각된 유체원(source of fluid ), 또는 주변 온도 이상으로 가열된 유체원을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
광학 장치는 다중 모드 광섬유와 열 접촉하는 열전대(Thermocouple) 등의 온도 센서 및 온도 센서로부터의 입력을 수신하여 써멀 엘리먼트를 제어하는 제어기를 포함한다.
다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 장치의 특성을 갖는 다른 실시예에서, 상기 조작은 다중 모드 광섬유를 비틀거나, 신장하거나 흔드는 것을 포함한다. 압전 신장기는 다중 모드 광섬유를 주기적으로 신장하는 데에 사용된다. 대안적으로, 모터는 광섬유의 길이 방향 축 및 광섬유의 고정 부분에 대해 시계방향과 반시계 방향 교대로 다중 모드 광섬유의 일부를 주기적으로 비트는 데에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 다중 모드 광섬유의 입력에 빛을 결합하는 단계, 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변형하는 단계, 및 다중 모드 광섬유의 출력에서 평균화된 빛을 수신하는 단계를 포함하는, 다중 모드 광 광섬유에서의 광학 모드 노이즈 평균화 방법에 관한 것이다. 모드 노이즈 평균화 방법은 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변형하는 단계와 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하는 단계 중 하나에 의해 굴절률을 변형하는 단계를 포함한다. 다중 모드 광섬유의 온도는 다중 모드 광 광섬유와 열이 전달되도록 하는 열적 구성 요소를 제공함으로써 주기적으로 변형될 수 있다. 대안적으로, 다중 모드 광섬유를 비틀거나, 신장하거나 흔듦으로써 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작할 수 있다.
도 1은 TDLAS 감지 장치의 개략도이다.
도 2는 연소실 근처의 구성 요소에 광학적으로 결합된 원격 위치된 구성 요소의 특성을 갖는 TDLAS 감지 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명과 호환되는 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.
도 4는 써멀 엘리먼트로 주변 온도 이상으로 가열되거나 이하로 냉각된 유체 원을 갖는 온도 기반의 위상 전이 장치의 확대도이다.
도 5는 써멀 엘리먼트로 일련의 열전기 장치를 사용하는 온도 기반의 위상 전이 장치의 확대도이다.
도 6은 도 5의 온도 기반 위상 전이 장치의 다른 확대도이다.
도 7은 다중 모드 광섬유의 기계적 조작을 위한 모터를 사용한 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.
도 8은 다중 모드 광섬유의 기계적 조작을 위해 압전 신장기를 사용하는 광학 모드 노이즈 평균화 장치의 개략도이다.
도 9는 발신측 모드 노이즈 저감 장치의 개략도이다.
A. 개요
본 발명의 바람직한 실시예는 광학 모드 노이즈 평균화 장치이다. 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 아래 섹션 E에서 상세히 기재한다. 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 광섬유 결합 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(TDLAS) 감지 장치와 관련되는 수신(catch)측 (또는 수신(receive)측) 다중 모드 광섬유에 내재하는 모드 노이즈를 평균화하는 데에 적합하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 이런 감지 장치의 여러 실시예들이 여기에서 참조로 언급되고 있는 2004년 3월 31일자 출원된 "연소의 모니터링과 제어를 위한 방법 및 장치"로 표제된 국제 특허 출원 번호 PCT/US04/10048 (공개 번호 WO2004/090496)에 기재되고 있다. 부가하여, 광섬유 결합 TDLAS 감지 장치를 이하에 기재한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 모 드 노이즈가 존재하는 모든 광학 시스템에서 광학 모드 노이즈를 평균화하는 데에 적합하다. 특히, 광학 모드 노이즈 평균화 장치는 컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 과학적 연구, 또는 그 외 빛을 전송하는 상당한 길이의 다중 모드 광섬유의 특성을 갖는 시스템으로 구현될 수 있다. 평균화 장치는 어느 광학 시스템에서나 유용하며, 이 때 시스템의 효율성은 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 광에 내재하는 광학 모드 노이즈를 평균화하여 강화될 수 있다.
B. 감지 장치
본 발명의 일 실시예는 도1에 도시된 바와 같이, 연소 프로세스를 감지하고, 모니터링하며 제어하는데 적합한 감지 장치(10)에 관한 것이다. 감지 장치(10)는 근적외선 또는 중적외선 스펙트럼의 일정한 주파수에서 발진하는 일련의 파장 가변 다이오드 레이저(12)로부터의 레이저 빛을 사용하는 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술(TDLAS)을 사용한다. 파장 가변 다이오드 레이저(12) 각각의 출력은 단일 모드 광섬유(14)인 개별적인 광섬유에 결합되어 멀티플렉서(multiplexer)(16)로 전달된다. 여기에서 사용되는 "결합된(coupled)", "광학적으로 결합된(optically coupled)" 또는 "광학적으로 연통된(in optical communication with)"이라는 표현은 빛이 중간의 매개부품 또는 빈 공간을 통하거나 통하지 않고 제1구성 부품으로부터 제2구성 부품으로 통과할 수 있는 대응부품들 사이의 기능적 관계로 정의된다. 다중화되어 발생된 일부 또는 전 주파수의 레이저 빛은 멀티플렉서(16)에서 복합 선택 주파수를 갖는 다중화 프로브 빔을 형성한다. 다중화 프로브 빔은 발신측 (또는 전송측) 광섬유(18)에 결합되고, 도 1에서 연소실(22)로 표시되어진 프로세스 챔버와 작용적으로 결합된 발신 광학부(pitch optic)(20) 분광기(collimator)로 전달된다.
발신 광학부(20)는 연소실(22)을 관통해 다중화 프로브빔을 투사하도록 설치되어 있다. 수신 광학부(catch optic)(24)는 발신 광학부(20)와 광학적으로 연통된 연소실(22)을 가로질러 위치한다. 수신 광학부(24)는 발신 광학부(20)의 대략 맞은편에 설치되는 것이 바람직하며, 연소실(22)과 작용적으로 결합된다. 수신 광학부(24)는 연소실(22)을 통해 발사된 다중화 프로브빔을 수광할 수 있도록 설치된다. 수신 광학부(24)는 수신 광학부(24)에 의해 수광된 다중화 프로브빔을 디멀티플렉서(28)로 전달하는 수광측 광섬유(26)에 광학적으로 결합된다. 수신 광학부(24)에 의해 수신된 다중화 프로브빔은 디멀티플렉서(28) 내에서 역다중화되고, 역다중화된 레이저 빛의 각각의 파장은 출력 광섬유(30)로 결합된다. 각각의 출력 광섬유(30)는 차례로 검출기(32)에 광학적으로 결합된다. 각 검출기(32)는 일반적으로 프로브 빔을 형성하기 위해 다중화된 레이저 빛의 선택 주파수 중 하나에 대해 민감한 광검출기이다. 검출기(32)는 검출기 주파수로 검출기(32)로 전송된 빛의 성질과 양에 따른 전기 신호를 발생시킨다. 각 검출기(32)의 전기 신호는 통상 디지털화되어 데이터 처리 시스템(34)에서 분석된다. 이하 설명하는 바와 같이, 디지털화되어 분석된 데이터는 연소실(22) 내의 여러 가스성분의 농도와 연소 온도 등을 포함하는 프로세스 챔버 내에서 물리적 파라미터들을 인식하기 위해 사용될 수 있다. 데이터 처리 시스템(34)은 피드백 루프(36)를 통해 연소 제어 장치(38)로 신호를 보낼 수 있으며, 이에 의해 선정된 프로세스 파라미터들을 능동적으로 제어할 수 있다. 연소 프로세스의 경우, 제어되는 프로세스 파라미터들은 연료(예컨대, 미분탄) 공급 속도, 산소 공급 속도, 및 촉매 또는 화학 약품 첨가 속도를 포함할 수 있다. 감지 장치(10)의 발신측과 수신측의 전자부품 및 광학 부품들을 광섬유로 결합하면, 파장 가변 다이오드 레이저(12), 검출기(32), 데이터 처리 시스템(34)과 같이 예민하고 온도에 민감한 장치들을 안정적인 동작 환경을 갖는 제어실에 설치할 수 있다. 그러면, 비교적 환경에 강한 발신 및 수신 광학부(20, 24)만이 연소실(22)의 열악한 환경 근처에 설치된다.
도 2는 광섬유로 결합된 다중화 감지 시스템(40)의 전체적인 부품배치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 감지 시스템(40)은 일반적으로, 시스템 랙(system rack; 42), 브레이크아웃 박스(breakout box; 44), 발신 광학부(pitch optics: 48)를 갖는 전송기 헤드(46), 수신 광학부(catch optics; 52)를 갖는 수신기 헤드 및 결합 광섬유들을 포함한다. 시스템 랙(42)은 연소실(54)로부터 원거리, 예를 들어 일 킬로미터 거리 떨어져 위치한 원격 제어 룸에 설치하는 것이 바람직하다. 제어 룸은 통상 조절된 환경을 갖는다. 시스템 랙(42)은 레이저(56), 검출기(58), 파장 멀티플렉서(60) 및 파장 디멀티플렉서(62)를 포함한다. 또한 시스템 랙(42)은(도 2에 미도시) 시스템 전자 부품들과 제어 소프트웨어들을 포함한다. 시스템 랙(42)은 선택적으로 얼라인먼트 광원(64)을 포함할 수 있다.
시스템 랙(42)과 브레이크아웃 박스(44)를 결합하는 광섬유는 일반적으로 표준 단일 모드 통신 광섬유(single-mode telecom optical fiber)를 사용한다. 이 종류의 광섬유는 저렴하고, 쉽게 사용 가능하며, 손실이 적고, 광 스위치, 스플리 터 및 파장 분할 멀티플렉서와 같은, 빛을 조작하는 여러가지 기성의 통신부품에 레이저 빛을 사용할 수 있게 해준다. 광섬유를 사용하지 않으면, 레이저 빛은 빈 공간을 통해 연소실(54)까지 도달되기 때문에 장치를 구성하기가 매우 어려울 것이다. 또한 민감한 전자 부품과 광학 부품을 연소실(54)에 매우 가깝게 설치하여야만 할 것이다.
또한, 도 2에는 브레이크아웃 박스(44)가 도시되어 있다. 브레이크아웃 박스(44)는 보일러 가까이에 위치할 수 있도록 내환경성이 좋도록 포장되어 있다. 브레이크아웃 박스(44)는 아래에서 설명하는 바와 같이 광 신호들이 복수의 송신-수신기 헤드 쌍으로 전송되도록 하는데 사용되는 광 스위치, 스플리터 및 커플러(집합적으로 66)를 포함한다.
도 2에서 도시된 바와 같이 시스템 부품들의 제3 그룹은 송신기 및 수신기 헤드(46, 50)이다. 송신기 및 수신기 헤드(46, 50)의 광부품 및 전자 부품은 광섬유(68)로 전달된 빛을 평행광선으로 변환하고, 이 광선이 정확하게 연소실(54)을 통하여 지나도록 하고, 연소실(54)의 반대측에서 그 광선을 받고 그 광선이 광섬유(70)로 연결되도록 해야만 한다. 이러한 기능을 하는 광학 부품들은 전송 거리, 연소 영역에서의 교란, 전송된 광선 및 광섬유(70)의 코어 크기에 따라 선정된다. 코어 크기의 선택은 어플리케이션에 의해 지시되는 디자인 선택의 문제이다. 코어가 커질수록 더 많은 레이저 빛을 받아들이게 되지만 또한 더 많은 배경 빛도 받아들이게 된다. 석탄 연소 보일러가 사용될 때, 50미크론의 광섬유 코어 직경은 허용 가능한 결과를 제공한다. 수신(리시버)측에 광섬유를 사용하는 것은 몇 가지 유리한 점이 있다. 특히, 레이저 빛과 동일한 위치에서 동일한 방향으로 전송된 빛만 광섬유(70)로 초점이 맞춰진다. 이것은 감지되는 배경 빛의 양을 급격히 저감시킨다. 빛은 여러개의 수신기 광섬유 중 하나에 받아들여지고 광 스위치나 다른 광 경로기기가 검출기(58)까지의 경로를 이루는 하나의 광섬유로부터 빛을 선택할 수 있다. 도 2에서는 오직 하나의 수신 광학부만을 도시하고 있다.
수신측에 광섬유 커플링을 사용하기 위해서는 송신기와 수신기 광학부 양측의 얼라인먼트 공차가 정확하게 유지되어야 한다(송신기 및 수신기 포인팅 양쪽에 대해 0.5milliradian 이하). 다중화 레이저 신호들이 동시에 효율적으로 송신 및 수신될 수 있도록 발신 광학부와 수신 광학부(48, 52)의 양쪽이 660nm 부터 1650nm 까지의 파장에 대해 주문 설계되고 수차 보정된 것이 바람직하다.
C. 파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술
파장 가변 다이오드 레이저 흡수 분광기술 (TDLAS)은 레이저 분광 기술을 갖고 있는 당업자에게 잘 알려진 기술을 사용하여 수행된다. 일반적으로, TDLAS는 표적 환경을 통해 레이저 빛을 전송하고, 일산화탄소나 산소와 같은 표적 가스에 기인하는 특정 파장에서 레이저 빛의 흡수를 검출함으로써 이루어진다. 검출된 빛을 분광 분석하면 레이저 경로를 따라 가스의 종류와 양을 알 수 있다. 직접 흡수 분광법의 상세한 내용은 Teichert, Fernholz 및 Ebert의 "근적외선 다이오드 레이저에 의해 실물 크기의 석탄 연소 발전소에서 CO, H2O 및 가스 온도의 동시 측정" (2003년 4월 20일자, 응용 광학, 42(12):2043)에 기재되어 있으며, 그 내용은 여기 에서 전체적으로 참조될 것이다. 레이저 흡수 분광기의 비접촉 특성때문에 다른 탐침(probes)을 사용할 석탄 화력 발전소의 연소 지역과 같은 가혹한 환경이나, 가연성 또는 독성이 있는 환경에 적합하다. 레이저 빛을 사용하면, 이들 환경에서 볼 수 있는 심한 감쇠(통상 99.9% 이상의 빛 손실)의 존재시 빛의 전달을 검출하는 데에 필요한 고광도(high brightness)를 얻을 수 있다. 목표 응용분야의 가혹한 조건에 더 잘 견디도록 하기 위해, 레이저 빛은 강화된 광섬유를 통해 표적 환경으로 전송된다.
온도나 복수의 연소 프로세스 구성 성분 가스를 효율적으로 감지하기 위해서는 다수의 넓은 간격 주파수의 레이저 빛을 갖는 TDLAS의 성능이 필요하다. 선택된 주파수는 모니터할 전이(transition)의 흡수선과 매치(match)가 되어야 한다. 예를 들어, 대략적으로 방사된 NO 농도에 대해 670nm의 파장에서 NO2를 모니터하는 것이 유용하다. 또한 석탄 화력 설비 보일러에서 산소, 수증기(온도), 일산화탄소를 모니터하는 것이 매우 유용하다. 적절한 흡수선과 적절한 레이저 주파수는 연소실을 관통하는 레이저 프로브 경로 길이가 10미터이고 각 성분의 몰분율이 CO(1%), O2(4%), CO2(10%), H2O(10%)라는 가정 하에서 결정될 수 있다. 주파수를 선택하기 위해서는, 프로세스 온도는 석탄 화력 발전소에서 통상 관찰되는 것의 온도 보다 약간 더 높은 1800K라고 가정할 수 있으며, 쿠션(cushion)은 계산에 있어서 안전율의 역할을 한다.
예를 들면, 다음 기준을 만족하는 세 개의 수분 흡수선이 TDLAS로 선택될 수 있다:
1. 각각 ~1000, 2000, 3000cm-1의 낮은 상태의 에너지;
2. 차례로 공명에 의한 대략 20%의 빔 흡수율에 이르는 0.1-0.4의 편리한 흡광도(absorbance)를 제공할 것;
3. 값이 싸고, 출력이 크며, DFB 다이오드 통신 레이저를 사용할 수 있는1250 내지 1650nm의 영역에서 전이를 사용하는 최적환경;
4. 전이는 쉽게 다중화할 수 있도록 잘 분리되어야 함;
5. 선택된 파장은 기존의 (디)멀티플렉서 격자(grating)에 의해 효과적으로 회절되어야 함;
적절한 수분선들(water lines)은 다음 파장에서 발생한다.
파장(nm) 파수(cm-1) 저 준위 에너지 (cm-1) 격자 차수 1800K와 10M에서의 흡수율 UNP 회절 효율(model)
1349.0849 7412.432 1806.67 6.87 19.7% 81%
1379.4507 7265.062 3381.662 6.73 28.1% 77%
1394.5305 7170.872 1045.058 6.65 6.8% 72%
그 외 다른 연소 가스와의 간섭은 없다. 가장 간섭될 것 같은 성분인 CO2는 모형화되어 1.3-1.4미크론 영역에서는 강하고 간섭되는 선들이 존재하지 않는다.
유사하게, 적절한 일산화탄소 라인은 상술한 Ebert의 논문에 기초하여 선택될 수 있다. 적절한 일산화탄소 라인은 석탄 화력 설비 보일러에서 R(24) 라인을 사용하는 1559.562nm에서 발견된다. 이 라인의 선택은 수분과 이산화탄소와의 간섭을 피한다. 공지의 회절 격자는 광 통신 C 밴드에 있기 때문에 이 파장 영역에서 매우 효과적이다. 이 파장에서의 CO의 흡광도는 0.7% 정도이다.
또한, 산소는 760.0932nm에서 측정할 수 있다. 바람직한 (디)멀티플렉싱 회절 격자 효율은 이 영역에서 40%로 계산되지만, 적절한 이러한 특정 효율을 얻기 위해서는 적절한 레이저 출력이 사용되어야 한다.
이하에서 설명되는 바와 같이, TDLAS 감지 장치의 발신측과 수신측 양쪽에 광섬유 커플링(fiber coupling)을 사용하기 위해서는 발신 광학부와 수신 광학부의 엄격한 얼라인먼트가 필요하다. 능동적인 얼라인먼트가 선택된 얼라인먼트 파장에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 사용 가능한 얼라인먼트 파장 중의 하나는 660nm이다, 왜냐하면, 고 출력(45mW) 다이오드가 이 주파수에서 사용 가능하고, 660nm는 14차 격차 작용(order grating operation)의 최고치 근처이기 때문이다. 다른 얼라인먼트 파장도 동일하게 또는 보다 적절하게 결정될 수 있다.
본 발명의 TDLAS를 위한 프로브 빔에 다중화하기 위해 선택된 합당한 세트의 파장들을 표 2에 요약하였다. 이 파장 세트는 석탄 화력 발전소의 감지와 제어를 위해 적절한 TDLAS 감지 장치의 일 실시예를 위한 것임을 유의해야 한다. 다른 파장 세트도 사용 가능함은 물론이다.
목적 파장(nm)
얼라인먼트 660
O2 b-a 대역 760.0932
H2O (중간 온도 라인). 1349.0849
H2O (높은 온도 라인) 1376.4507
H2O (낮은 온도 라인) 1394.5305
CO(2.0) over tone의 R(24) 1559.562
D. 다중화 빔을 사용하는 TDLAS 의 특정 이점
파장 다중화 프로브 빔을 사용하는 TDLAS의 특별한 이점은 온도 측정의 정확성을 향상시킨다는 것이다. TDLAS로 정확한 농도 측정을 하기 위해서는 모니터하는 가스의 온도를 알아야 한다. 분자 흡수(molecular absorption)의 강도(strength)는 온도의 함수이다. 따라서, 흡수 특성(obsorption feature)의 진폭을 농도로 변환하기 위해서는 온도를 알아야만 한다. CO와 같은 연소 성분의 농도를 측정하려는 종래의 방법은 정량화에 오차를 일으키는 부정확한 온도 측정때문에 곤란을 겪었다. 이것은 특히 통상적으로 온도 측정과 조화되지 않는 다이오드-레이저 기반 암모니아 슬립 모니터에서 더욱 그러하다. 본 발명에 대한 감지 시스템에서, 온도는 2개 이상의 분자 수분라인(molecular water line)의 강도 비(ratio of the intensity)를 측정함으로써 결정될 수 있다. 두 라인의 통합된 강도의 비는 온도만의 함수이다 (전 시스템의 압력이 일정하다고 가정). 따라서, 원칙적으로 2개의 라인으로 정확한 온도를 얻을 수 있다. 그러나, 비균일한 온도 분포의 경우에는(일반적으로, 산업적인 연소 프로세스 내에서 발견된다), 2개의 라인만으로 온도 분포를 결정할 수 없다. 이런 비균일한 온도 분포의 경우에는, 2개의 라인은 단지 "경로 평균(path-averaged)" 온도만을 결정할 수 있다. 반대로, 2개 이상의 라인(같은 성분)의 통합된 진폭을 측정하면 온도 비균일성을 검출할 수 있다. Sanders, Wang, Jeffries 및 Hanson이 프로브 분자로 산소를 사용하여 이러한 기술을 구현한 일 예(응용 광학, 40(24):4404, 2001년 8월 20일자)가 여기에서 전체적으로 참조된다. 바람직한 기술은 시선을 따라 측정한 최고 강도(peak intensity)의 분포가 평균 온도 500K의 경로와 일치하지 않다는 사실에 기반을 두고 있다. 예를 들면, 그 경로의 절반은 300K이고 나머지 절반은 700K이다.
더 정확한 온도 측정을 할 수 있다는 이점 외에, 다중화 프로브 빔을 사용하면, 하나 이상의 연소 가스 성분을 동시에 모니터링 할 수 있으며, 연소 프로세스를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
E. 모드 노이즈
넓은 간격 파장으로부터 다중화 신호를 필요로 하는 TDLAS 시스템의 광학적 결합장치와 이와 유사한 장치는 모드 노이즈의 감소와 고 효율이 광 집합적이라는 상반되는 설계요구 때문에 많은 설계상의 도전이 존재한다. 여기서 모드 노이즈는 측정될 프로세스 챔버로 들어가거나 나오는 빛을 모으고 전달하는 데 사용되는 광섬유의 코어에서 비균일한 시간과 파장이 변화되는 광 분산으로부터 기인하는 검출된 빛의 신호 레벨의 변화로서 정의된다.
다중모드 광섬유에서, 굴절률의 변화에 따라 다른 모드가 다른 속도로 전달된다. 광섬유에서의 강도 분포(intensity distribution)는 다른 유효 경로 길이(effective path length)를 통과한 모든 전파 모드의 간섭에 의해 스펙클 패턴이 된다. 만일 스펙클 패턴의 모든 빛이 모이고 검출된다면, 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭이 정확히 상쇄되어 총 전달된 출력은 파장이나 광섬유의 길이에 따라 변하지 않을 것이다. 만일 클리핑(clipping), 비네팅(vignetting) 등의 손실이 있으면, 정확하게 상쇄되지 않아 검출되는 출력은 파장 및/또는 시간에 따라 변한다. 상술된 바와 같은 TDLAS 감지 시스템에서, 모드 노이즈로 인한 출력의 변화는 상당히 문제가 된다. 특정 분광 기술은 연구되는 가스 성분에 의한 빛의 특정 파장의 흡수에 따라 좌우된다. 흡수는 임계 파장에서 출력의 감소로 검출된다. 따라서, 모드 노이즈는 흡수에 따른 출력 강하와 유사하여 TDLAS로 집합된 데이터를 불명료하게 할 수 있다. 길이가 z인 광섬유에서 뒤에 검출된 출력의 일반식은 다음과 같다:
P = P0+∑ijcijEiEjcos[2πγ0△nijz/c+△Φij(T,σ))]
여기서 P0 = 파장과 관련없는 평균 출력
Ei = i번째 횡단 모드에서의 빛의 진폭
cij = i번째와 j번째 횡단 모드 사이의 겹치기 적분
△nij = i번째와 j번째 모드 사이의 굴절률 차이
△Φij = 온도와 응력(stress)에 따른 i번째와 j번째 모드 사이의 상 쉬프트(phase shift)이다.
정규직교 세트 모드(orthonomal set of modes)와 무손실의 경우에, cij=0이다. 그러나, 빔 클리핑, 비네팅, 또는 다른 모드 손실이 있는 경우는 cij≠0이다.이것이 평균 전달 출력에서 리플(ripples)을 일으킨다.
50미크론의 코어를 갖는 통상의 경사형 굴절률 광섬유는, 총 굴절률 변화, △n는 ~1%이지만, 대부분의 모드는 광섬유 코어 중심에 가까우면 많은 전달 시간을 소모한다. 그래서, 일반적으로 △nij<0.0005이다. 일반적으로 사용하는 광섬유인 GIF50은 대략 135 모드를 지원하며, 주어진 합리적으로 얻을 수 있는 빔 클리핑 레벨로 파장 스캔을 하는 동안 현저한 모드 노이즈를 발생시킬 정도로 거칠다.
구체적인 모드 노이즈의 예로서, 모드 노이즈가 존재하는 가장 간단한 시스템: 일차원에서 최하의 모드만을 지원하고, 정규직교 차원에서 두 개의 최하 모드를 지원하는 직사각형의 웨이브가드(waveguide)를 생각할 수 있다:
최하 모드: E1=E1 0[exp i(kz-wt)]cosπx/2a
다음 모드: E2=E2 0[exp i(kz-wt)]sinπx/a
광섬유를 따라 z점에서의 강도는:
I(x) = │E1+E2│2이고 총 출력은 P=∫│E1+E2│2dx
여기서, 적분은 클리핑과 비네팅의 효과를 포함해야 한다.
클리핑이 없으면, P~E1 2+E2 2이며, 파장에 의존하지 않는다. 클리핑을 추가하는 것은 적분의 한계를 변화시키게 된다. 클리핑은 추가항 ~ E1E2cos△Φ로 표현되고, 여기서 △Φ=△kL=2π△nL/λ이다.
만일 단일 모드 광섬유가 상술된 바와 같이 시스템의 수신측 광학 결합장치에 사용된다면, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 통상 광섬유 결합 TDLAS 시스템의 수신측 광학 결합장치는 두가지 이유때문에 다중 모드 광섬유를 사용해야 한다. 첫째는, 정 체적(10미터를 초과하는 측정 경로를 갖는 연소실)을 횡단한 후에, 초기 단일 모드 (Gaussian spatial distribution) 빔은 품질이 상당히 저하된다. 따라서, 이와 같이 심하게 왜곡된 빔을 단일 모드 광섬유로 결합하는 커플링 효율이 매우 나쁘다. 빔이 정 체적을 통과할때 주로 검댕과 비산재에 의해 분산되고 가려져서 크기가 3-4배로 감쇄되기 때문에 이것을 받아들일 수 없다. 단일 모드 광섬유를 사용함으로써 발생하는 추가적인 감쇄가 측정을 방해할 것이다. 둘째로, 화구(fireball)에서 굴절 빔 조향 효과(refractive beam steering effects)가 빔의 위치와 지향점을 불안정하게 만든다. 이와같이 주어진 영향 하에서, 규칙적으로 단일 모드 광섬유의 코어를 "맞추는 것(hit)"이 어렵다.
반면에, 다중 모드 광섬유의 코어는 단일 모드 광섬유의 표적 단면적보다 적어도 25배가 된다. 따라서, 빔 조향의 효과는 현저하게 감소된다. 또한, 다중 모드 광섬유의 결합 효율은 빛의 공간 모드와는 관계 없기 때문에, 화구를 통과한 후에 얻어지는 열악한 품질의 빔은 문제가 되지 않는다.
컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 또는 일반 과학 기술에서의 다른 유형의 실행은 다중 모드 광섬유의 실질적인 길이의 사용을 요하거나 사용하는 유사하거나 완전히 관련되지 않는 제한 사항을 가질 수 있다. 다른 실행시, 모드 노이즈는 또한 문제가 될 수 있으며 상당한 데이터 집합이나 데이터 전송 과제를 나타낼 수 있다.
따라서, 다중 모드 광섬유 결합장치에서 발생하는 모드 의존성 손실(mode dependent losses)은 설계상의 도전이다. 다중 모드 광섬유의 코어로부터 발산되 는 광 분산은 랜덤의 스펙클 패턴이다. 즉, 광섬유의 다른 모드 사이에서 건설적인 간섭과 파괴적인 간섭으로 인하여 생기는 밝은 부분과 어두운 부분으로 된 랜덤 패턴이다. 만일, 스펙클 패턴이 시간과 파장의 함수로 변하지 않는다면, 문제가 되지 않는다. 그러나, 빔이 상술된 바와 같이 다중 모드 수신측 광학 결합장치의 어디엔가 클리핑되면, 특히 파장의 함수로서 스펙클 패턴의 느린 변화는 모드 노이즈를 일으킬 수 있다. 이 클리핑은 피하기가 불가능하고, 단지 줄일 수 있을 뿐이다. 그러므로, 시스템의 검출 감도를 향상시키기 위해서는 모드 노이즈를 저감하기 위한 추가적인 측정이 실행되어야 한다.
모드 노이즈를 줄이기 위한 몇가지 방법이 있다. 상기 수학식 (2)로부터, 모드 노이즈는 다음에 의해 감소될 수 있다:
1. 모드 의존 손실을 줄인다. 즉, 클리핑을 감소시켜 cij를 적게 유지한다;
2. z를 감소시켜, 모드 노이즈의 주기를 관심있는 흡수 라인의 주기보다 훨씬 크도록 증가시킨다;
3. 낮은 분산(dispersion) 광섬유를 사용하여 △nij를 줄인다;
4. 모드를 변경한다. 그러나 모든 모드 변경 기술이 후술하는 바와 같이 동일한 효과가 되지 않도록 한다.
본 발명의 광섬유 결합 TDLAS 감지 시스템의 수신 광학부는 모드 노이즈를 감소시키기 위해서 상기의 모든것을 결합하도록 설계 및 구성되었다. 수신 광학부는 시스템의 얼라인먼트가 거의 완전하게 이루어진다면, 빔 클리핑이 낮은 레벨에 서 발생하도록 설계되어 있다. 다중 모드 광섬유의 길이를 최소로 유지하는 노력이 이루어져야 하지만; 어떤 응용에서는 제어 전자 부품을 환경적으로 제어된 장소에 위치시키기 위해서 Z가 길어져야만 한다. △nij의 값은 최고급의 낮은 분산 다중 모드 광섬유를 사용하여 감소시킬 수 있다. 또한, 최상의 결과는 수신측 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변화시키거나 기계적으로 조작하여 모드를 평균화하고 수집된 평균 광 신호로부터 데이터를 추출함으로써 얻을 수 있다.
다중 모드 광섬유에 존재하는 스펙클 패턴은 시간과 파장의 함수로서 또한 광섬유의 기계적 위치의 함수로서 변화한다. 전송 시간과 파장 둘다 광섬유의 굴절률에 의해 영향을 받는다. 광섬유를 구부리고 특정 방법으로 조작하는 것이 스펙클 패턴을 변화시킬 수 있다. 이와같은 기계적 조작이나 굴절률의 주기적 변화가 일정기간 연속하여 이루어지면, 광섬유에서 발산되는 빛의 공간 분포가 상대적으로 균일한 패턴으로 평균화된다.
모드 노이즈의 효율적인 주기적 위상 전이나 스크램블링을 통해, 시간 평균화 측정이 균일한 신호 레벨을 형성하게 된다. 광섬유의 굴절률은 광섬유를 신장하거나 비틀거나 광섬유의 온도를 변화 시킴으로써 변경될 수 있다. 광섬유의 온도를 변화시키면 i번째와 j번째 횡단 모드 사이의 굴절률 차, △nij에 변경을 초래한다. 이러한 광섬유의 굴절률의 변경은 수학식 2에서 주어진 함수 cos(2πγ0△nijz)/c만큼 모드 노이즈를 전이시킨다.
F. 광학 모드 노이즈 평균화
도 3에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 시간 평균화된 측량을 형성하는 모드 노이즈의 주기적 위상 전이 또는 스크램블링은 광학 장치(300)로 달성될 수 있다. 광학 장치(300)는 입력(304) 및 출력(306)를 갖는 다중 모드 광섬유(302)를 포함하게 된다. 빛은 다중 모드 광섬유(302)의 입력(304)에의해 투입되며 보통 입력(304) 및 출력(306)와 관련하여 도 3에 나타낸 화살표의 방향으로 시스템을 통해 전파하게 된다.
광학 장치(300)는 또한 다중 모드 광섬유(302)가 입력되어 결합되는 평균화 구성 요소(308)를 포함하게 된다. 평균화 구성 요소(308)는 선택 주기 동안 다중 모드 광섬유(302)의 굴절률을 주기적으로 변화시키기 위한 장치를 포함할 수 있다. 또는 상기의 장치를 대신하여, 평균화 구성 요소(308)는 다중 모드 광섬유(302) 내의 광 분산을 스크램블하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 평균화 구성요소(308)에 의한 굴절률의 변화나 광 분산의 스크램블링은 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화시키거나, 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 조작하거나, 또는 둘 다를 행하는 것에 의해 달성된다.
평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)의 주기적 조작을 실행하는 실시예에서, 평균화 구성 요소(308)는 광섬유(302)를 비틀거나, 신장하거나, 흔들 수 있다. 평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 주기적으로 변화시키는 실시예에서는, 여러 써멀 엘리먼트나 열적 구성 요소가 다중 모드 광섬유와 서로 열을 주고 받을 수 있도록 구성할 수 있다. 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 변화시키는 장치는 평균화 구성 요소(308)에 포함될 수 있다. 다중 모드 광섬유(302)의 온도를 변화시키는 데에 사용될 수 있는 대표적 장치는 열전기 모듈, 저항 히터, 적외선 히터, 화학적 히터, 압축 유체와 열 교환기를 사용하는 종래의 냉장 장치, 화학적 냉각기, 주변 온도 이하로 냉각된 유체원, 또는 주변 온도 이상으로 가열된 유체원을 포함한다. 이들 장치 중 몇몇을 이하 상세히 기재한다.
평균화 구성 요소(308)가 다중 모드 광섬유(302)를 주기적으로 가열시키거나 냉각시키는 실시예에서, 센서(310)를 설치하여 다중 모드 광섬유(302)와의 열전달을 제어할 수 있다. 센서(310)가 제어기(312)에 정보를 제공하면 제어기(312)는 제어선(314)를 통해 평균화 구성 요소(308)를 제어한다.
G. 온도 기반 위상 전이 장치
온도 기반 모드 위상 전이의 효율성은 단위 시간 당 온도의 변화 및 온도 변화에 노출되는 광섬유의 길이 z에 직접 관련된다. 온도 기반 모드 전이는 모드 노이즈를 처리하는 특히 효과적인 방법이다. 왜냐하면, 광섬유의 온도 변화는 모든 횡단 모드의 굴절률을 변경시키고 상당한 광섬유 길이에 걸쳐 발생할 수 있기 때문이다. 따라서, 광섬유의 굴절률 변경에 의해 모든 횡단 모드의 전이가 보장되고, 어떤 모드도 신호가 "고정"된채 유지될 수 없게 된다.
실제로 광섬유의 온도를 순화시키기 위한 다중 모드 섬유와의 열전달 작업을 위해 다양한 유형의 가열/냉각 장치가 설치될 수 있다. 전기 저항 히터, 종래의 냉장 장치, 가열 또는 냉각 유체, 펠티에 또는 그 외 열전기 장치, 적외선 장치, 또는 화학적 장치가 모두 광섬유의 온도를 변화시키는 데에 사용될 수 있다.
주기적 온도 변화를 사용하는 모드 위상 전이 장치의 일 실시예는 유체 기반 의 모드 위상 전이 장치 (유체 장치; 400)이다. 도 4에 확대도를 나타낸다. 광섬유 주변에 고온과 냉온 공기를 교대로 불어넣기 위해 와류관(402A, 402B)을 사용하는 유체 장치(400)의 실시예를 도 4에 나타내었다. 압축 공기원 (도 4에서 도시 생략)으로부터 전달된 공기는 두 개의 와류관(402A, 402B) 중 하나에 교대로 전달된다. 와류관(402A, 402B)은 챔버(404)의 내부에 유체가 전달될 수 있도록 결합된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 챔버(404)는 측면(408A, 408B), 상판(410), 정면(412) 및 후면 접근 포트(414)를 갖는 인클로저(406)로 형성된다. 전체 인클로저(406)는 통상의 데이터 처리 장비인 랙에 장착되기에 적합하다. 비록 랙 장착이 가능한 인클로저(406)가 특히 적합하긴 하지만, 다중 모드 광섬유(418)의 길이를 고정하는 스풀(416)을 수신하는 데에 적합한 다양한 형상, 유형 또는 스타일의 인클로저를 이용하여 유체 장치(400)를 구현할 수 있다. 대안적으로, 인클로저(406) 없는 장치를 사용할 수도 있다.
와류관(402A, 402B)은 접근 포트(414)를 통해 인클로저의 내부에 유체를 전달하게 되며, 유체는 스풀(416) 상에 감겨진 다중 모드 광섬유(418)에 열을 전달하게 된다. 따라서, 다중 모드 광섬유(418)는 와류관(402A, 402B)에 의해 공급되는 주변 온도 이상이나 이하로 가열 또는 냉각된 공기에 의해 주기적으로 가열 및/또는 냉각될 수 있다.
적합한 와류관(402A, 402B)은 쉽게 구할 수 있다. 예를 들어, EXAIR®3230 와류관이 EXAIR®사로부터 상용되고 있다. 30ft3/분의 수율로 동작하는 EXAIR® 3230 와류관 또는 이와 유사한 와류관이 관의 배향에 따라서 +60℃로 가열되거나 -20℃로 냉각된 공기를 제공할 수 있다. 부가하여, 상기 와류관은 와류관을 사용할 때 가열 및 냉각된 공기간의 순환이 비교적 쉽다. 뿐만 아니라, 다중 모드 광섬유에 가열 또는 냉각된 유체를 순환하여 공급하기 위한 다양한 장치나 방법은 유체 장치(400)의 실시예의 구현에 적합하다는 것에 유의하는 것이 중요하다. 가열 및 냉각 유체는 상술된 바와 같이 공기일 수 있지만, 물, 가열/냉각 오일, 압축 가스, 또는 그 외의 유체가 다중 모드 광섬유를 가열하거나 냉각하는 데에 사용될 수 있다.
한정하고자 하는 것이 아니고 실시예로서, 동작 동안 와류관(402A, 402B) 중 하나는 광섬유가 입구 온도 보다 더 높은 약 10℃의 온도에 이를 때 까지 가열된 공기를 전달할 수 있다. 광섬유의 온도는 열전대(420)나 그외 광섬유와 접촉할 수 있게 삽입된 온도 센서를 통해 결정될 수 있다. 온도 제어 유닛 (도 4에서 도시 생략)은 열전대(420)로부터 입력을 수신하고 솔레노이드 스위치를 가동하여 냉각을 위해 다른 와류관(402A, 402B)에 공기가 보내지도록 한다. 대안적으로, 와류관(402A, 402B)에 의해 다중 모드 광섬유(418)에 공급된 가열 공기가 임계 수준에 전혀 이르지 않기 때문에, 온도 제어기의 사용은 가열과 냉각 사이에서 와류관(402A, 402B)을 주기적으로 전환하기 위해 배재되거나 타임드 릴레이로 교체될 수 있다.
다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화하는 것에 기초한 모드 위상 전이 장치의 매우 바람직한 실시예를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 열전기 모드 위상 전이 장치(열전기 장치; 500)는 다중 모드 광섬유(504)의 선택 길이를 고정하는 스풀(502)을 포함한다. 하나 이상의 열전기 가열/냉각 모듈(506)이 다중 모드 광섬유(504)와 열을 주고받을 수 있게 위치된다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 복수의 열전기 가열/냉각 모듈(506)은 스풀(502)의 내측 둘레에 방사상으로 배치된다. 열 전달은 열전기 모듈(506)의 외표면과 다중 모드 광섬유(504)의 코일 간에 열전기 수지를 사용하여 원활하게 된다. 도 5에 나타낸 실시예에서, 스풀(502)은 열전기 모듈(506)과 다중 모드 광섬유(504) 사이의 접촉을 원활하게 하고 다중 모드 광섬유(504)의 권선을 용이하게 하도록 개방된 테두리로 구성된다.
다중 모드 광섬유(504)와 접촉하며 스풀(502)에 상대적인 열전기 모듈(506)의 위치 선정의 일 구성을 도 6의 확대도에서 나타낸다.
하나 이상의 히트 싱크(508)가 또한 열전기 모듈(506)과 열이 전달되게 작용적으로 배치될 수 있다. 바람직하게, 히트 싱크(508)는 알루미늄이나 구리와 같은 높은 열 전도 재료로 제조되며 각 히트 싱크(508)의 표면 영역을 증가시키도록 설계된 핀이나 그외 장치를 갖는다. 팬(510)은 히트 싱크(508)를 통해 공기를 가하거나 불어넣도록 작용적으로 위치되어, 열전기 모듈(506)로부터의 급속한 열의 추출과 이에 따른 다중 모드 광섬유(504)의 급속한 가열이나 냉각을 원활하게 한다. 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상부 링(514)과 저부 링(516)을 갖는 프레임워크(512)는 히트 싱크(508) 위와 주변에서의 공기 유출을 방해하지 않고 서로에 대해 적당한 배향으로 열전기 장치(500)의 구성 요소를 고정하도록 사용될 수 있다. 바람직하게, 개구(518)가 프레임워크(512)에 형성되어 있어 자유로운 공기 유출을 확실히 한다.
도 5 및 도 6에 나타낸 실시예는 펠티에 원리에 기초하는 열 전기 모듈(506)을 사용한다. 리드(520)를 통해 열전기 모듈(506)에 직류가 공급된다. 펠티에 원리로 동작하는 열전기 모듈(506)에서, 열전기 모듈(506)의 대향 표면은 공급된 DC 전류의 방향에 따라 가열 또는 냉각된다. 따라서, 이들 모듈은 리드(520)에 제공된 직류의 극성을 선택적으로 전환하여 다중 모드 광섬유(504)를 선택적으로 가열하거나 냉각하는 것이 비교적 용이하게 되는 특정한 장점을 제공한다. 그러나, 다른 유형의 장치도 다중 모드 광섬유(504)를 가열 및/또는 냉각하도록 구현될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 직접 저항 히터, 종래의 냉장 장치, 적외선 가열 장치, 및/또는 화학 반응 기반의 가열기 및/또는 냉각기가 다중 모드 광섬유(504)의 온도를 변화하는 데에 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 원통형 구성으로 장착된 열 전기 모듈(506)에 적당한 전원으로부터 전력이 전달된다. 전류 전환 전자 부품이 각 열 전기 모듈(506)에 전달된 DC 출력의 극성을 주기적으로 바꾸는 데에 사용된다. 모드 위상 전이는 열전기 모듈(506)과 열이 전달되는 다중 모드 광섬유(504), 바람직하게 프리미엄 GIF50 다중 모드 광섬유의 길이에서 발생한다. 55m 내지 100m가 모드 위상 전이와 평균화를 이루는 데에 적합한 다중 모드 광섬유의 길이로 밝혀졌다. 다른 길이가 또한 적합할 수도 있다. 100m의 랩된 (wrapped) 광섬유가 사용되면 약 50%의 광섬유가 열전기 냉각기와 직접 접촉하게 된다. 직접적인 접촉으로, 열전기 수지를 제외하고는, 열전기 모듈(506)과 광섬유(504) 사이 에 전도 재료가 없다는 점에 유의해야 한다. 이 구성은 시스템의 열량을 최소화시킨다. 열량을 최소화함으로써, 시스템의 온도 응답이 빨라지고 더욱 효율적인 모드 위상 전이를 이루게 된다.
하나 이상의 열전대(522) 또는 그 외 온도 측정 장치는 열전기 모듈(506)과 다중 모드 광섬유(504) 사이에 장착되어 다중 모드 광섬유(504)의 온도를 항상 모니터하는 데에 사용될 수 있다. 온도 제어 유닛 (도 5 및 도 6에서는 도시 생략)은 열전대 결정 온도를 수신하고 온도 판독에 기초하여 전류 방향을 순환시킨다. 약 35℃ 내지 50℃의 온도 범위는 쉽게 사용 가능한 열 전기 모듈로 성취 가능하다. 광섬유의 손상이 발생할 수 있는 85℃의 최대 온도에 도달하지 않는 것이 중요하다. 단측 냉각기에서는 65℃ 내지 10℃의 온도 변화과 이중측 냉각기에서는 65℃ 내지 30℃로 테스트가 완성된다. 완전한 주기는 임의로 선택된 기간일 수 있지만, 약 25초의 주기가 유효한 것으로 밝혀졌다.
상술된 바와 같이, 열전기 모듈(56)과 열이 전달되게 장착된 히트 싱크(508)를 사용하여 열전기 모듈(506)의 대향 측에서 열이 분산될 수 있다. 가압된 공기는 히트 싱크 핀을 통해 이송되어 입력 출력과 등가인 열의 분산을 도와준다. 효율적인 열 분산은 핀의 저부에서 공기가 개구(518)을 통하게 하여 공기가 시스템을 통해 유닛의 상부 밖으로 흐르게 하여 이루어진다. 충분한 공기 유출을 가능하게 하는 다른 구성이 또한 적용 가능하다. 대안적으로, 열 전기 장치(500)는 냉각 유체 내에 넣어지거나 아니면 냉각될 수 있다. 바람직하게, 팬은 장치가 실행중인 동안 일정하게 동작된다. 적당한 팬이나 유체원이 열을 분산하는 데에 사용되지 만, 300CFM 팬이 도 5 및 도 6에서 나타낸 바와 같은 시스템으로부터 열을 제거하는 데에 효율적인 것으로 밝혀졌다.
전자 부품의 제어는 열전기 모듈(506)의 가열 및 냉각과 관련된다. 피드백 제어 전자 부품은 열전대(518), 서모미터 또는 그 외 온도 센서로부터의 입력에 기초하여 광섬유의 온도를 감지한다. 부가하여, 온도 입력에 기초하여, 제어기는 열전기 모듈(506)에 전달되는 파워의 전류 방향을 전환하고 가열 및 냉각 주기에 대한 출력 레벨을 조정한다 (가열은 통상 더 효율적이므로 파워가 덜 필요하다). 또한, 제어기는 광 광섬유에 전달되는 최대 및 최소 온도를 조절하며, 과도가열의 경우 구동 회로를 차단할 수 있다.
H. 열 전기 모듈 위상 전이 시스템 테스트
상술된 열 전기 장치(500)로 테스트가 실행된다. 흡수가 자유로운 질소 정화실을 통해 네 파장 대역에 걸쳐 테스트가 실행된다. 경로 길이에 흡수 성분이 없는 상태에서, 레이저는 기준 신호로 분할된 후에 선형 파장 응답을 나타내야 한다. 경사도의 선형성 편차는 모드 노이즈에 의해 주로 초래된다. 측정시의 불확정성을 결정하는 데에 사용되는 수학식의 표현은 다음과 같다:
σx = [1/N∑(xi-fi(ax+b)2]1/2
이 때, xi=singali/tapi
fi(ax+b)=linear fit of x1-n
각 파장 주기의 시작과 끝은 발신와 수신 헤드의 이동 시간으로 인한 시간 지연으로 인해 무시될 수 있다. 이들 시간 지연은 각 주기의 시작과 끝에서 탭과 관찰된 신호 간에 상당한 변형을 일으키는 원인이 된다.
시스템 성능은 단일측 및 이중측 열전기 모듈(506), 복수의 평균화 회수, 및 다른 광섬유 길이를 사용하여 열 전기 장치(500)의 실시예로 이루어진다. 모든 결과에 대해, 모드 위상 전이 및 평균화는 저감된 모드 노이드 신호 편차를 형성한다. 노이즈의 저감은 수학식 3에서 나타낸 바와 같이 실험에 사용되는 광섬유의 길이에 좌우되는데; 긴 광섬유는 짧은 광섬유보다 더욱 높은 주파수 모드 노이즈 편차를 갖는다. 이 때문에, 모드 위상 전이의 상대적인 해상도 강화는 긴 광섬유에서 더욱 입증된다. 결과를 여러 형태에 대해 아래 제시했다:
불확실성
유형 평균시간 (초) 1349nm 1376nm 1394nm 1560nm 평균 불확실성
비가열된 광섬유의 200m - 8792 19514 6838 13712 11715
비가열된 광섬유의 30m - 3156 5174 5311 1231 4547
비가열된 광섬유의 270m 10 16837 24417 21989 14533 19444
모드 스크램블 없음, TEM 턴오프
3 1684 2394 3527 2647 2535
10 612 966 3013 0 1530
10 1229 1592 3084 0 1968
10 1434 1581 1823 0 1613
단일측 TEM, 100m의 동작 광섬유 길이, 270m 총 광섬유길이, 1912
10℃-65℃의 온도 범위 평균
10 3048 3896 2020 1871 2709
10 4213 2680 1856 3216 2991
10 3317 1742 2257 2838 2537
턴어라운드에서 1 4957 1628 1736 2939 2815
냉온에서 고온 1 2712 2490 1208 2345 2189
냉온에서 고온 1 3119 3559 4965 1921 3391
냉온에서 고온 1 2762 3163 3519 1541 2746
냉온에서 고온 1 2468 3388 1928 2887 2668
냉온에서 고온 1 3724 2479 2394 3005 2901
냉온에서 고온 1 2865 2363 2700 1917 2461
냉온에서 고온 1 5187 1924 2327 3633 3268
냉온에서 고온 1 3327 3392 1447 1777 2486
냉온에서 고온 1 4989 1556 2819 3090 3113
냉온에서 고온 1 2812 1985 1542 1642 1995
75m의 동작 다중 모드 광섬유, 245m의 총 광섬유 길이, 2531
단일측 TEM, 65℃-10℃의 온도 범위 평균
순환 10 3975 3465 2375 3014 3207
순환 10 2997 963 1408 2085 1863
냉온에서 고온 1 3111 1841 1538 2982 2368
냉온에서 고온 1 2268 1518 2365 2932 2271
5m의 동작 다중 모드 광섬유, 225m의 총 광섬유 길이, 2167
이중측 TEM, 65℃-30℃의 온도 범위 평균
기계적 조작에 근거한 장치
상술된 바와 같이, 모드 노이즈는 다중모드 광섬유의 기계적 조작과 집합된 평균 광 신호로부터 추출된 데이터에 의한 여러가지 굴절 지수를 평균화하고 평탄화하게 한다. 상술된 온도 기반 위상 전이 장치는 주기 온도 변화으로 다중 모드 광섬유의 굴절률을 변형시켜 모드 위상 전이를 달성한다. 후술되는 바와 같이, 다중 모드 광섬유의 기계적 조작은 굴절률을 변형시키는 데에 사용될 수 있다. 부가하여, 기계적 조작으로 광섬유가 조작되면서 빛이 도파관 내의 특정 모드를 완전히 따를 수 없는 것으로 인해 모드 노이즈의 영향을 받은 신호가 평균화와 평탄화되는 결과를 얻게된다. 따라서, 다중 모드 광섬유의 길이 내에서 모드 노이즈 유도 스펙클 패턴의 평균화와 평탄화는 위상 전이와 기계적 스크램블링의 조합으로 성취될 수 있다.
기계적 광섬유 조작의 특정 모드는 다른 것 보다 모드 노이즈를 평균화하는 데에 더욱 효과적이다. 특히, 광섬유를 다른 광섬유 지점에 상대적으로 길이 방향 (z)축으로 비틀게 되면 스펙클 패턴이 변경되게 된다. 얻어진 주요 변경은 z 축에 대한 스펙클 패턴의 회전이다. 관심있는 사실은 광섬유가 기계적 회전되면서 패턴이 축 둘레를 그렇게 멀리 회전하지 않는다는 것이다. 2차 효과는 실제 광 분산이 회전으로 약간 변경되었다는 것이다. 스펙클 패턴의 회전은 주로 광섬유의 응력 유도 굴절률 변경으로 인한 것이 아니지만, 스펙클 강도 패턴의 적은 변경을 설명할 수는 있다. 그보다, 회전은 토션 운동으로 조작될 때 빛이 도판관을 완전히 따를 수 없는 것으로 인한 것이다.
본 발명의 일 실시예로, 기계적 모드 노이즈 평균화 장치 (기계 장치; 700)가 도 7에 개략적으로 나타나 있다. 기계 장치(700)는 다중 모드 광섬유(704)가 위치 설정되어 고정되게 하는 중공의 샤프트 모터(702)를 사용한다. 광섬유(706)의 원격 부분은 모터(702)의 샤프트 위치에 상대적으로 고정되고, 모터는 바람직하게 +360도 다음에 -360도 운동인 비틀림 운동을 통해 반복적으로 흔들린다. 이 운동의 주파수는 전송된 신호의 효율적인 평균화를 가능하게 하고 수신측 모드 노이즈의 효과를 상당히 감소시키기 위해 10Hz 보다 크거나 동일하다. 길이 방향 축을 따른 다중 모드 광섬유의 비틀림이 스크램블링 모드 노이즈에서 효과적이라고 결정되었지만, 흔듬, 신장, 또는 구부림 등의 다른 기계적 조작도 또한 사용될 수 있다.
압전 신장기
광섬유를 신장시키게 되면 굴절률과 광섬유의 길이 둘다의 변경이 생긴다. 다중 모드 광섬유는 압전 신장기로 신장될 수 있다. 압전 장치는 일반적으로 단일 모드 광섬유에 변조된 시간 지연을 유도하는 데에 사용된다. 다중 모드 광섬유는 다중 모드 광섬유의 시간 지연이 빛이 이동할 수 있는 다수의 경로나 모드 때문에 제어 가능하지 않기 때문에 압전 신장 장치에 사용되지 않는다. 그러나, 압전 신장 장치는 시간 지연을 만드는데 실용적이지는 않지만, 모드 위상 전이를 유도하는 데에 사용될 수 있다.
다중 모드 광섬유가 신장되면, 광섬유에 유도된 응력이 굴절률과 광섬유 길이 둘 다의 변경을 초래하게 된다. 도 8에서 개략적으로 나타낸 바와 같이, 압전 장치(800)는 반실린더(804) 둘레에 몇 미터의 다중 모드 광섬유(802)를 감은 다음에 소정의 발진 주파수와 거리를 두고 반실린더(804)를 발진하는 것으로 작용된다. 반실린더(804) 간의 거리가 늘어나고 줄어듬에 따라, 광섬유(802)의 응력은 조화적으로 발진한다. 이 발진은 광섬유(802)의 굴절률이 진동하게 만든다. 모드 전이의 유효성은 광섬유의 길이 (z)의 변경과 광섬유의 굴절률의 변경 (△nij) 둘 다의 함수이다 (수학식(1)).
모드 위상 전이는 압전 장치(800)를 사용하여 두 기술 중 하나에 의해 이루어질 수 있다. 제1 기술로, 압전 장치(800)는 큰 정도의 모드 변화를 만드는 데에 충분한 광섬유(802)로 구현되어 응력을 유도하도록 구성되므로 균일한 신호 레벨이 많은 모드를 평균화하여 성취될 수 있게 된다. 대안적으로, 압전 장치(800)가 고른 굴절률 변경으로 순환하기 때문에, 압전 장치(800)는 최소 및 최대 신장 거리로 180°의 고조파의 모드 전이를 형성하는 식으로 발진하도록 동작될 수 있다. 이 방법으로 모드 노이즈는 많은 모드 전이를 시간 평균화하는 것이 아니고, 180°의 위상 전이를 이루도록 신장 특성을 최적화하는 것으로 감소될 수 있다. 따라서, 모드 노이즈는 일 주기 만큼 작게 평균화될 수 있어, 모드 노이즈가 제거된 신속한 데이터 획득이 가능하게 된다.
발신측 광학 결합장치
광섬유 결합된 TDLAS 감지 장치의 발신측 광학 결합장치는 또한 측정 영역을 통해 전송되는 모든 파장의 단일 모드빔을 형성해야 할 필요성으로 인해 디자인에 있어 상당한 문제를 나타내고 있다. 단일 모드 광섬유가 발신측 광학 결합장치 전체에 걸쳐 사용되는 경우, 모드 노이즈는 문제가 되지 않는다. 그러나, 광섬유는 제한된 파장 윈도우에 대해 단일 모드 도파관으로 작용하게 된다. 특정 광섬유에 대한 짧은 파장 컷오프의 범위를 지나, 빛이 몇 고차수 공간 모드에서 광섬유를 통해 전송될 수가 있다. 이들 고차수 모드는 빛이 광섬유를 빠져나갈 때 스펙클 패턴을 형성하게 된 것이다. 스펙클 패턴은 시간 및 파장이 가지각색이다. 적은 양의 빔 클리핑이라도 측정시 노이즈를 일으킨다.
반대로, 전송될 필요가 있는 가장 짧은 파장과 일치하는 단일 모드 컷오프를 갖는 광섬유가 선택되면, 더 긴 도파관은 광섬유에 결합될 때 상당한 손실을 겪게 되고 광섬유는 더 긴 도파관에 대해 광범위한 휨 손실을 나타내게 된다.
이 문제는 760nm 또는 670nm 정도로 짧은 파장으로 1.67미크론 정도로 긴 파장을 멀티플렉스해야 할 필요성으로 인해 상술된 광섬유 결합 파장 다중화 TDLAS 감지 및 제어 장치에서 심하게 나타날 수 있다. 이런 넓은 범위의 파장에 대해 단일 모드 동작, 높은 결합 효율 및 낮은 휨 손실을 제공하게 되는 상용 가능한 광섬유는 알려져 있지 않다. 광자 결정 광섬유는 장차 이 딜레마의 해결책을 제공하지만, 광자 결정 광섬유 기술은 현재 유아 단계이다.
도 9에서 나타낸 바와 같이, 670nm 또는 760nm 내지 1670nm의 단일 모드 빔의 빛을 멀티플렉싱 및 피칭하는 데에 있어서의 문제는 단일 모드 컷오프 보다 더 짧은 파장에 대한 고차수 공간 모드가 가능하게 하지 않는 매우 짧은 다중 모드 광섬유(120)의 전송부를 사용하는 것으로 최소화될 수 있다. 상기 수학식 1를 참조하면, 다중 모드 광섬유의 길이 L이 짧으면, 모드 노이즈는 최소화될 것이다. 이 경우, 예를 들어, 760nm의 빛이 1280nm의 컷오프 파장을 갖는 단일 모드 광섬유의 짧은 부분에 결합되면 (예를 들어, 코닝 SMF28), 760nm의 빛은 적어도 몇 미터 단일 모드를 유지한다. 따라서, 발신측 모드 노이즈의 해결책은 측정 영역을 통해 전송되도록 조준되기 전에 횡단할 짧은 거리로만, 1280nm 보다 더 긴 파장에 대해 단일 모드이지만 760nm에 대해서는 다중 모드일 수 있는 광섬유에 760nm 빛을 결합하는 것이다.
이런 시스템의 개략도를 도 9 및 도 2에 나타내었다. 도 9를 참조하여, 넓게 이격된 레이저 발사 주파수에서 발사하는 다수의 다이오드 레이저원(902)이 개별의 단일 모드 광섬유(904A-904n)에 결합된다. 1349nm와 1670nm 사이의 파장에서 발하는 다이오드 레이저는 멀티플렉서(906)로 다중화다. 멀티플렉서(906)의 출력은 실질적인 전송 손실이 없고 모드 노이즈의 유도 없이 1349nm-1670nm의 범위의 파장으로 빛을 전송하는 데에 적합한 크기를 갖는 발신측 광섬유(908)에 결합된다. 이들 파장에 적합한 광섬유는 코닝 SMF28이다. 그러나, 760nm의 입력은 SMF28 광섬유에 멀티플렉스되어 결합되면, 비교적 단거리의 전송 후에, 멀티모화된다. 따라서, 760nm 레이저의 출력은 SMF750과 같이 1280nm 미만의 파장에 대해 단일 모드인 광섬유에 결합된다. 입력 광섬유(904n)에서 전송된 레이저광과 발신측 광섬유(908)에서 전송되는 다중화 레이저빛은 발신 광학부(910) 근방에 결합될 수 있다. 커플러(912) 및 발신 광학부(910)은 전송 광섬유(914)가 중요한 손실 없이 결합되어 다중화 파장 모두를 전송하도록 선택되어 전송 광섬유(914)의 단거리 광학적으로 접속되는 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 시스템에 적합한 전송 광섬유는 코닝 SMF28이다. 전송 광섬유가 비교적 짧다면, 전송 광섬유(914)에 결합된 760nm 레이저 빛은 상당한 다중 모드 동작을 나타내지 않는다. 도 9에 도시한 시스템과 광섬유에 대해서, 상당한 다중 모드 노이즈의 도입을 피하기 위해서 전송 광섬유가 3미터 미만의 길이로 유지되어야 한다고 결정되었다.
유사한 시스템을 도 2에 도시하였는데 여기에서 커플러(134)는 760nm 다이오드 레이저와 실질적으로 긴 파장을 갖는 다이오드 레이저로부터의 다중화 빔 둘다로부터 입력을 수신한다.
본 발명의 목적은 여기 개시된 실시예를 통해 실현된다. 당업자라면 본 발명의 여러 형태는 본 발명의 필수적인 기능에서 벗어나지 않고 여러 실시예로 성취될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 특정 실시예는 설명적인 것으로 다음 청구범위에서 기재된 바와 같이 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것이 아니다.

Claims (28)

  1. 광학 장치에 있어서:
    다중 모드 광섬유; 및
    상기 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 빛의 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 수단을 포함하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평균화하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유의 굴절률을 선택 주기 동안 주기적으로 변화시키기 위한 수단; 및
    상기 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블하기 위한 수단 중 하나를 포함하는 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 평균화하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화시키기 위한 수단; 및
    상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 수단 중 하나를 포함하는 광학 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유를 비트는 단계;
    상기 다중 모드 광섬유를 신장하는 단계;
    상기 다중 모드 광섬유를 흔드는 단계
    중 적어도 하나를 실행하도록 구성된 장치를 포함하는 광학 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화시키기 위한 수단은 상기 다중 모드 광섬유와 열이 전달되는 열적 소자를 포함하고, 상기 열적 소자는 가열기, 냉각기, 주변 온도 이상으로 가열된 유체원 및 주변 온도 이하로 냉각된 유체원 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  6. 제3항에 있어서;
    상기 다중 모드 광섬유와 열 접촉되는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서로부터의 입력을 수신하고 상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화시키기 위한 수단을 제어하는 제어기를 더 포함하는 광학 장치.
  7. 입력과 출력을 갖는 다중 모드 광섬유에서 모드 노이즈 유도 신호 강도 변화를 시간 평균화하는 방법에 있어서:
    상기 다중 모드 광섬유의 상기 입력에 빛을 결합시키는 단계;
    상기 다중 모드 광섬유의 굴절률을 주기적으로 변화시키는 단계; 및
    상기 다중 모드 광섬유의 상기 출력에서 상기 빛을 수신하는 단계
    를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유의 상기 굴절률은:
    상기 다중 모드 광섬유의 상기 온도를 주기적으로 변화시키는 단계; 및
    상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하는 단계 중 하나로 변화되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화시키는 단계는 상기 다중 모드 광섬유와 열이 전달되는 열적 구성 요소를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서;
    상기 다중 모드 광섬유와 열이 전달되는 온도 센서를 제공하는 단계; 및
    상기 온도 센서로부터의 입력을 수신하는 제어기로 상기 열적 구성 요소를 제어하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하는 단계는:
    상기 다중 모드 광섬유를 비트는 단계;
    상기 다중 모드 광섬유를 신장하는 단계;
    상기 다중 모드 광섬유를 흔드는 단계
    중 적어도 하나를 포함하는 방법
  12. 빛의 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 광학 장치에 있어서:
    다중 모드 광섬유; 및
    상기 다중 모드 광섬유와 열 접촉하는 써멀 엘리먼트
    를 포함하는 광학 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다중 모드 광섬유와 열 접촉하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서로부터 입력을 수신하고 상기 써멀 엘리먼트를 제어하는 제어기
    를 포함하는 광학 장치.
  14. 제12항에 있어서;
    상기 써멀 엘리먼트와 열 접촉하는 히트 싱크;
    상기 히트 싱크와 유체가 전달되는 팬
    을 더 포함하는 광학 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 써멀 엘리먼트와 실질적으로 열 접촉하는 상기 다중 모드 광섬유의 선택 길이를 지지하는 스풀을 더 포함하는 광학 장치.
  16. 제12항에 이어서, 상기 다중 모드 광섬유의 상기 선택 길이는 55m와 100m 사이인 광학 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 써멀 엘리먼트는 열전기 모듈, 저항 히터, 적외선 히터, 화학적 히터, 냉장 장치, 화학적 냉각기, 주변 온도 이하로 냉각된 유체원, 및 주변 온도 이상으로 가열된 유체원 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
  18. 빛의 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 광학 장치에 있어서:
    다중 모드 광섬유; 및
    상기 다중 모드 광섬유와 작용적으로 관련되는 조작 장치를 포함하는 광학 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 조작 장치는 상기 다중 모드 광섬유의 선택 길이를 신장하고, 상기 다중 모드 광섬유의 선택 길이를 비틀고, 상기 다중 모드 광섬유의 선택 길이를 흔드는 것 중 적어도 하나를 포함하는 상기 다중 모드 광섬유의 기계적 조작을 실행하는 광학 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 조작 장치는 압전 신장기를 포함하는 광학 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 압전 신장기는 최소 및 최대 신장 거리로 180도의 광학 모드 전이를 이루도록 선택된 발진 순서를 통해 상기 다중 모드 광섬유를 신장하도록 구성된 광학 장치.
  22. 제18항에 있어서, 상기 조작 장치는 모터를 포함하는 광학 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 모터는 상기 다중 모드 광섬유의 제1 부분을 상기 다중 모드 광섬유의 길이 방향 축과 상기 다중 모드 광섬유의 제2 고정 부분과 상호 관련하여 시계 방향과 반시계 방향 교대로 주기적으로 비틀도록 구성되는 광학 장치.
  24. 수신측 광학 시스템을 구성하는 연소 감지 장치에 있어서:
    다중 모드 광섬유; 및
    상기 다중 모드 광섬유 내에서 전파하는 빛의 모드 노이즈 유도 신호 레벨 변화를 평균화하기 위한 수단
    을 포함하는 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 평균화하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유의 굴절률을 선택 주기 동안 주기적으로 변화하기 위한 수단; 및
    상기 다중 모드 광섬유 내의 광 분산을 스크램블링하기 위한 수단
    중 하나를 포함하는 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 평균화하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화하기 위한 수단; 및
    상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 수단
    중 하나를 포함하는 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유를 주기적으로 조작하기 위한 수단은:
    상기 다중 모드 광섬유를 비틀고;
    상기 다중 모드 광섬유를 신장하고;
    상기 다중 모드 광섬유를 흔드는
    것 중 적어도 하나를 실행하도록 구성된 장치를 포함하는 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 다중 모드 광섬유의 온도를 주기적으로 변화하기 위한 수단은 가열기, 냉각기, 주변 온도 이상으로 가열된 유체원 및 주변 온도 이하 로 냉각된 유체원 중 적어도 하나를 포함하는 상기 다중 광섬유와 열이 전달되는 써멀 엘리먼트를 포함하는 장치.
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0623835D0 (en) * 2006-11-29 2007-01-10 Cascade Technologies Ltd Multi mode fibre perturber
JP5181689B2 (ja) * 2008-01-18 2013-04-10 横河電機株式会社 近赤外光及び赤外光の分光分析装置
JP5530153B2 (ja) * 2009-03-04 2014-06-25 オリンパス株式会社 走査型光検出装置
US8456634B2 (en) * 2009-06-15 2013-06-04 General Electric Company Optical interrogation sensors for combustion control
JP5856058B2 (ja) * 2009-08-10 2016-02-09 ゾロ テクノロジーズ，インコーポレイティド マルチモード送光ファイバを用いた光信号ノイズの緩和
JP5455528B2 (ja) * 2009-09-29 2014-03-26 三菱重工業株式会社 燃焼制御装置
US9366621B2 (en) 2012-04-19 2016-06-14 Zolo Technologies, Inc. In-furnace retro-reflectors with steerable tunable diode laser absorption spectrometer
US9746375B2 (en) * 2014-04-08 2017-08-29 Yokogawa Electric Corporation Systems, methods, and apparatus for optical noise management in optical spectroscopy
CN107543613B (zh) * 2017-08-23 2024-02-02 西安科技大学 一种井下红外测温精度影响因素测试装置及测试方法
CN111175987A (zh) * 2018-11-09 2020-05-19 青岛海信激光显示股份有限公司 激光消散斑装置、激光消散斑方法及激光投影设备
CN111089661B (zh) * 2019-12-04 2020-11-03 北京航空航天大学 一种基于激光吸收光谱的温度快速提取方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63133035A (ja) * 1986-11-26 1988-06-04 Anritsu Corp 光伝送特性試験装置
US4741586A (en) * 1987-02-20 1988-05-03 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Dynamic coupler using two-mode optical waveguides
US4915468A (en) * 1987-02-20 1990-04-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Apparatus using two-mode optical waveguide with non-circular core
DK0435825T3 (da) * 1989-12-27 1996-02-12 Ciba Geigy Ag Apparat til homogenisering af den inhomogene lysfordeling i et laserstrålelysbundt
US5291013A (en) * 1991-12-06 1994-03-01 Alamed Corporation Fiber optical monitor for detecting normal breathing and heartbeat motion based on changes in speckle patterns
US5396506A (en) * 1993-12-09 1995-03-07 United Technologies Corporation Coupled multiple output fiber laser
CN1163665A (zh) * 1994-12-23 1997-10-29 西门子公司 利用法拉第效应、带有对强度变化和温度影响进行补偿的测量磁场的方法和装置
JPH10301153A (ja) * 1997-04-23 1998-11-13 Sony Corp 光源装置とこれを用いた光学測定装置および露光装置
JP4038631B2 (ja) * 1998-08-28 2008-01-30 株式会社堀場製作所 半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム
US6351587B1 (en) * 1999-11-12 2002-02-26 Lucent Technologies Inc. Multi-fiber digital delay line
US20020158202A1 (en) * 2001-01-08 2002-10-31 Webber Michael E. Laser-based sensor for measuring combustion parameters
JP2003084324A (ja) * 2001-09-12 2003-03-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> マルチモード導波路
JP2003156698A (ja) * 2001-11-22 2003-05-30 Toshiba Corp レーザ光源装置
KR100417000B1 (ko) * 2001-12-03 2004-02-05 삼성전자주식회사 저 편광 모드 분산을 위한 장치
ES2671574T3 (es) * 2003-03-31 2018-06-07 John Zink Company, Llc Método y aparato para la monitorización y el control de combustión
JP2004354671A (ja) 2003-05-29 2004-12-16 Nikon Corp スペックルパターン分散装置及びレーザ光照射装置

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Publication number Publication date
EP1730563A1 (en) 2006-12-13
AU2005236385A1 (en) 2005-11-03
CN1938621A (zh) 2007-03-28
CN1938621B (zh) 2015-04-01
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