KR20170100590A - 넓게 이격된 파장들을 위한 tdlas 아키텍쳐 - Google Patents
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Abstract
넓게 이격된 파장 조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학을 위한 시스템은 제 1 및 제 2 파장의 레이저 광을 발생하는 적어도 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저를 포함하고, 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 동일한 단일 모드 섬유에서 효율적으로 동시 전파될 수 없다. 제 1 섬유는 제 1 파장의 광을 운반하도록 구성되고, 제 2 섬유는 제 2 파장의 광을 운반하도록 구성될 수 있다. 섬유 번들은 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들로부터 형성될 수 있고 이들 각각의 코팅들은 스트립핑되고 이들의 피복재들은 서로 인접하여 배열된다. 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들은 측정 구역을 통하여 섬유 번들로부터의 레이저 광의 각각의 빔들을 투사하도록 구성된다. 측정 구역에 걸쳐 위치되는 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드들은 각각의 빔들을 수신하고 하나 이상의 센서 상으로 각각의 빔들을 지향시킨다.
Description
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조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학(Tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS)은 가스 혼합물의 다양한 종들의 농도들의 검출 및 측정을 위한 양호하게 입증된 기술이다. TDLAS 는, 측정 영역을 통과할 때, 측정되는 종들의 흡수 라인에 대하여 조정된(tuned), 매우 특정한 파장에서의 다이오드 레이저 빔의 감쇠를 측정하기 위해 목표로 정해진 종들의 특유의 흡수 스펙트럼(spectrum)에 의존한다. 심지어 이러한 흡수 라인들과는 약간 상이한 파장들에서는, 본질적으로는 흡수가 없다.
일반적으로, 작동시에, 다이오드 레이저 빔의 파장은 해당 종들의 하나 이상의 흡수 라인을 포함하는 작은 범위, 뿐만 아니라 흡수가 없는 범위에 걸쳐 스캔된다. 샘플을 통하여 전달되는 빛의 빛 세기들은 광 검출기(photodetector)에 의해 측정된다. 광 검출기 신호들은 그 후 온도를 알고 있으면서 빔 경로의 길이에 대한 목표 종들의 평균 농도를 얻기 위해 분석된다.
각각의 목표 종들의 분자들이 특별한 주파수에서 빛을 흡수하기 때문에, 상이한 다이오드 레이저가 상이한 종들을 측정하기 위해 일반적으로 요구된다. 특정 분야들을 위해, TDLAS 시스템들은 산소(O2) 검출을 위해 대략 760 ㎚ 부터 일산화탄소(CO) 검출을 위해 2.33 미크론까지의 넓은 파장 범위를 포함하는 파장들을 사용하는 것이 필요하다. CO 검출을 위해 사용되는 1559 ㎚ 파장을 갖는 760 ㎚ 로부터 1559 ㎚ 까지의 파장들을 사용하는 파장 다중화식(wavelength-multiplexed) TDLAS 시스템들이 존재한다. 하지만, 일부 분야들은 1559 ㎚ 에서 달성될 수 있는 것보다 CO 를 위한 더 낮은 검출 한도를 요구한다. 예컨대, 석탄 연소 보일러 분야들에서, 측정 경로 길이는 10 미터 초과일 수 있고 연소 구역에서 CO 농도는 5000 ppm 위의 범위일 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 1550 ㎚ 영역의 2 차 배진동(overtone) 대역을 사용하는 CO 검출이 적절하게 작동한다. 이러한 파장 영역이 원격 통신들에서 널리 사용되기 때문에, 높은 전달성을 갖는 단일 모드 광섬유가, 스위치들, 레이저들 및 스플리터(splitter)들과 같은 강성 섬유-광(fiber-optic) 성분들과 함께 즉시 이용 가능하다.
하지만, 특정 분야들은 더욱더 낮은 농도들 및 더욱더 짧은 경로에 걸친 CO 를 위한 검출 능력을 요구한다. 예컨대, 1 미터 경로에 걸친 100 ppm 의 범위의 CO 의 검출은 전달된 빔의 광 세기에 대한 대략 500 배 더 작은 효과를 측정하는 것을 수반하며, 이는 석탄 보일러 분야에서보다 검출을 상당히 더 어렵게 한다. 이는 CO 가 1559 ㎚ 에서보다 대략 500 배 더 높은 전이 라인 강도를 갖는 약 2.33 미크론에서의 제 1 배진동에 대한 CO 를 측정하는 것을 필요로 한다.
최근, 1350 ㎚ 로부터 2 미크론까지의 파장들에서 작동하는 TDLAS 시스템들이 개발되어왔다. 2 미크론까지의 연장은 강(steel) 분야들의 탄소 밸런스(balance) 결정을 위한 CO2 의 민감한 검출을 가능하게 한다. 다양한 강 분야들에서, O2 는 측정될 필요가 없고 따라서 760 ㎚ 파장은 요구되지 않는다. 이러한 파장 범위 연장에도 불구하고, 동일한 단일 모드 섬유는, 단일 모드 방식으로, 이러한 전체의 파장 범위(1350 ㎚ 내지 2000 ㎚)의 광을 전달하는데 사용될 수 있다. 하지만, 민감한 CO 검출을 위한 약 2.33 미크론까지의 추가의 연장, 및 760 ㎚ 에서의 O2 를 측정하기 위한 요건은 높은 전달 및 낮은 곡률 손실을 갖는 단일 모드로 약 760 ㎚ 로부터 2.33 미크론까지의 파장들을 전달하지 못하는 단일 모드 섬유의 단일 타입의 불능으로 인해 완전히 상이한 아키텍쳐(architecture)를 필요로 한다.
약 760 ㎚ 내지 2.33 미크론의 파장들에서의 광이 동일한 단일 모드 섬유와 동시 전파(co-propagate)될 수 없기 때문에, 새로운 파장 다중화 계획이 O2 검출 및 민감한 CO 검출 양자를 요구하는 분야들을 위해 고안되어야만 한다. 하나의 이러한 분야는 유리 노(glass furnace) 감시이다. 3 개의 파장들이 이 분야를 위한 O2, 물(H2O), 및 CO 를 측정하기 위해 요구되고 CO 검출은 100 ppm 레벨 또는 그 미만에서 요구된다. 대략 10 개의 경로들에 걸쳐 동시적으로, 또는 거의 동시적으로 측정하는 능력이 또한 이 분야를 위해 요구된다.
실시예들의 다양한 세트들에 따르면, 넓게 이격된 파장들을 위한 TDLAS 를 위한 시스템, 기기, 및 방법들이 제공된다.
양태에서, 넓게 이격된 파장 조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학을 위한 시스템은 적어도 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저를 포함한다. 제 1 조정 가능 다이오드 레이저는 제 1 파장의 레이저 광을 발생할 수 있고, 제 2 조정 가능 다이오드 레이저는 제 2 파장의 레이저 광을 발생할 수 있다. 단일 모드 섬유에 동시적으로 높은 효율을 갖고 단일 횡단 모드에서 동시 전파될 수 없는 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광이 이용된다.
시스템은 선단부 및 말단부를 갖는 제 1 섬유를 포함하고, 제 1 섬유는 선단부에서 제 1 조정 가능 다이오드 레이저와 광학식으로 커플링되고, 제 1 섬유는 제 1 파장의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 광섬유이다. 선단부 및 말단부를 갖는 제 2 섬유가 제공되고, 제 2 섬유는 선단부에서 제 2 조정 가능 다이오드 레이저와 광학식으로 커플링되고, 제 2 섬유는 제 2 파장의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 광섬유이다. 적어도 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들을 포함하는 섬유 번들이 제공되고, 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들은 이들 각각의 코팅들이 스트립핑되고(stripped), 제 1 섬유의 제 1 섬유 광 코어(core) 및 제 2 섬유의 제 2 섬유 광 코어는 이들의 피복재들이 서로 인접하여 배열되며 이는 이들의 번들형 구성을 형성한다.
시스템은 전달 광학계를 포함하는 하나 또는 그 초과의 피치 헤드(pitch head)들을 더 포함하고, 전달 광학계는 섬유 번들의 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들을 통하여 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저들에 광학식으로 커플링된다. 피치 헤드는 제 1 섬유 광 코어 및 제 2 섬유 광 코어로부터의 레이저 광의 각각의 빔들을 투사하도록 구성되고, 피치 헤드는 측정 구역을 통하여 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터의 각각의 빔들을 투사하도록 배향된다. 하나 또는 그 초과의 센서들이 제공되고, 각각의 센서는 각각 하나 이상의 광 검출기를 포함하고, 하나 이상의 광 검출기 각각은 제 1 및 제 2 파장들의 광의 광 파워를 검출하도록 구성된다. 또한, 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드(catch head)들이 하나 또는 그 초과의 피치 헤드로부터 선택된 거리만큼 측정 구역에 걸쳐 위치되고, 하나 또는 그 초과의 헤드는 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각의 빔들을 수신하고 하나 또는 그 초과의 센서 중 하나 이상으로 각각의 빔들을 지향시키기 위해 하나 또는 그 초과의 피치 헤드의 각각의 피치 헤드와 광 통신한다.
다른 양태에서, 피치 헤드는 넓게 이격된 파장 조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학을 위해 이용될 수 있다. 피치 헤드는 섬유 번들과 광학식으로 커플링되도록 구성되는 하우징을 포함하며, 섬유 번들은 적어도 제 1 및 제 2 입력 섬유들의 말단부들을 포함하고, 제 1 입력 섬유는 제 1 파장의 레이저 광을 운반하는 단일 모드 섬유이고 제 2 입력 섬유는 제 2 파장의 레이저 광을 운반하는 단일 모드 섬유이고, 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 단일 모드 섬유에서 동시 전파될 수 없다. 적어도 제 1 및 제 2 입력 섬유들의 말단부들은 이들의 각각의 코팅들이 스트립핑되고, 제 1 입력 섬유의 제 1 섬유 광 코어, 및 제 2 입력 섬유의 제 2 섬유 광 코어는 이들의 피복재들이 서로 인접하여 배열되며 이는 번들형 구성을 형성한다.
피치 헤드는, 측정 구역을 통하여, 적어도 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터의 레이저 광의 각각의 빔들을 투사하도록 구성되는 피치 광학계를 더 포함한다. 하우징은 각각의 빔들이 하우징으로부터 선택 거리만큼 측정 구역에 걸쳐 위치되는 캐치 헤드에 도달하도록 배향된다.
또 다른 양태에서, 넓게 이격된 파장 조정 가능 레이저 다이오드 레이저 분광학을 위한 방법이 제공된다. 방법은 제 1 파장의 제 1 레이저 빔을 발생하는 단계, 제 2 파장의 제 2 레이저 빔을 발생하는 단계, 제 1 단일 모드 광섬유에 제 1 레이저 빔을 그리고 제 2 단일 모드 광섬유에 제 2 레이저 빔을 운반하는 단계, 여기서 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 단일 모드 섬유에서 공동 전파될 수 없음, 이들 각각의 코팅들을 제 1 및 제 2 단일 모드 광섬유의 말단부들에서 스트립핑하는 단계, 제 1 단일 모드 광섬유의 제 1 섬유 광 코어를 그의 피복재가 제 2 단일 모드 광섬유의 제 2 섬유 광 코어의 피복재에 인접하게 배열하여 번들형 구성을 형성하는 단계, 및 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 번들형 구성으로부터 섬유 번들을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은, 피치 헤드에 의해, 측정 구역을 통하여, 섬유 번들의 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터, 레이저 광의 각각의 빔들을 전달하는 단계, 피치 헤드로부터 선택된 거리로 측정 구역에 걸쳐 위치되는 캐치 헤드에서 각각의 빔 각각을 수신하는 단계, 및 캐치 헤드에서, 제 1 및 제 2 파장들의 각각의 광의 광 파워를 검출하고, 제 1 및 제 2 파장들의 흡수 라인을 갖는 목표로 정해진 종들의 농도를 판정하는 단계를 더 포함한다.
다양한 변경들 및 부가들이 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없이 논의된 실시예들에 대하여 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 설명된 실시예들은 특별한 특징들을 언급하지만, 본 발명의 범주는 상기 설명된 특징들 모두를 포함하지 않는 실시예들 및 특징들의 상이한 조합을 갖는 실시예들을 또한 포함한다.
특별한 실시예들의 본질 및 이점들의 추가적인 이해는 명세서의 나머지 부분들 및 도면들의 참조에 의해 실현될 수 있고, 여기서 유사한 참조 부호들은 비슷한 구성요소들을 나타내는데 사용된다. 일부 예들에서, 하위 라벨은 복수의 비슷한 구성요소들 중 하나를 나타내기 위한 참조 부호와 연관된다. 기존의 하위 라벨에 대한 설명 없이 참조 부호가 참조될 때, 모든 이러한 복수의 비슷한 구성요소들을 참조하는 것이 의도된다.
도 1은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템의 피치 헤드들을 위한 섬유 번들 조립체를 예시하고;
도 2는 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템에서의 사용을 위한 이중 대역 광 검출기를 예시하고;
도 3은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템을 위한 시스템 블록 다이어그램을 예시하고;
도 4는 넓게 이격된 파장 TDLAS 를 이용하는 방법에 대한 흐름도이고;
도 5는 넓게 이격된 TDLAS 시스템의 섬유 번들 조립체로부터 분기되는 빔을 예시하고;
도 6은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템에 사용될 때의 제어 시스템의 블록 다이어그램이고; 및
도 7은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템의 피치 또는 캐치 헤드들을 위한 이색성(dichroic) 빔 조합기를 예시한다.
도 2는 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템에서의 사용을 위한 이중 대역 광 검출기를 예시하고;
도 3은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템을 위한 시스템 블록 다이어그램을 예시하고;
도 4는 넓게 이격된 파장 TDLAS 를 이용하는 방법에 대한 흐름도이고;
도 5는 넓게 이격된 TDLAS 시스템의 섬유 번들 조립체로부터 분기되는 빔을 예시하고;
도 6은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템에 사용될 때의 제어 시스템의 블록 다이어그램이고; 및
도 7은 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템의 피치 또는 캐치 헤드들을 위한 이색성(dichroic) 빔 조합기를 예시한다.
특정 실시예들의 다양한 양태들 및 특징들이 상기에 요약되어있지만, 이후의 상세한 설명은 당업자가 이러한 실시예들을 실행하는 것을 가능하게 하기 위해 몇몇의 실시예들을 더 상세하게 예시한다. 설명된 예들은 예시의 목적들을 위해 제공되고 본 발명의 범주를 제한하는 것이 의도되지 않는다.
이후의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 수많은 특정 세부사항들이 설명된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 명시된다. 하지만, 당업자에게 본 발명의 다른 실시예들이 이러한 특정 세부사항들의 일부 없이 실행될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 몇몇 실시예들이 본원에 설명되고, 다양한 특징들이 상이한 실시예들에 속하는 것으로 생각되지만, 하나의 실시예에 대하여 설명되는 특징들은 마찬가지로 다른 실시예들에 통합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하지만 마찬가지로, 임의의 설명된 실시예의 단일 특징 또는 특징들은, 본 발명의 다른 실시예들이 이러한 특징들을 생략할 수 있기 때문에, 본 발명의 모든 실시예에 대하여 필수적인 것으로 고려되어서는 안된다.
달리 나타내지 않는다면, 사용되는 양들, 치수들 등을 표현하기 위해 본원에 사용되는 모든 숫자들은 용어 "약(about)" 에 의해 모든 예들에서 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서, 단수의 사용은 다른 방식으로 달리 구체적으로 언급되지 않는다면 복수를 포함하고, 용어들 "및(and)" 그리고 "또는(or)" 의 사용은 달리 나타내지 않는다면 "및/또는(and/or)" 을 의미한다. 또한, 용어 "포함하는(including)", 뿐만 아니라 다른 형태들, 이를테면 "포함한다(includes)" 및 "포함되는(included)" 의 사용은 배타적이지 않은 것으로 고려되어야 한다. 또한, "요소(element)" 또는 "구성요소(component)" 와 같은 용어들은 하나의 유닛을 포함하는 요소들 및 구성요소들 그리고 하나 초과의 유닛을 포함하는 요소들 및 구성요소들을 포함한다. 당업계에 주지된 바와 같이, 동일한 장치가, 이를 통과하는 광의 방향에 따라서, 다중화 또는 역다중화(demultiplexing)를 위해 통상적으로 사용될 수 있다. 결과적으로, 본원에 사용되는 바와 같은 용어 "다중화기(multiplexer)" 또는 "mux" 는 다중화 및 역다중화 기능들 양쪽을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
종래의 파장 분할 다중화(wavelength division multiplexing; WDM) 기술들은 760 ㎚ 내지 2330 ㎚ 범위에 달하는 파장들을 갖는 신호들을 단일 모드 섬유로 다중화하는데 사용될 수 없는데, 이는 파장들의 범위에 달하는 다수의 신호들을 운반하기 위한 적절한 출력 섬유를 생성하거나 발견하는 것이 극도로 어렵기 때문이다.
섬유 번들 TDLAS 아키텍쳐
도 1은 760 ㎚ 내지 2330 ㎚ 범위에 달하는 파장들의 빔들을, 단일 모드 작동에서, 단일 전달 (피치) 헤드로부터, 대응하는 단일 수신 (캐치) 헤드로 전달할 수 있는 섬유 번들 조립체(100)를 예시한다. 섬유 번들 조립체(100)는 3 개의 단일 모드 작동 섬유(110, 115, 120)들의 코어(135a, 135b, 135c(집합적으로 135))들을 포함하는 섬유 번들(105)을 포함한다. 각각의 단일 모드 광섬유(110, 115, 120)들은 말단부 및 선단부를 갖는다. 단일 모드 광섬유(110, 115, 120)들은 이들의 선단부들에서 각각의 조정 가능 다이오드 레이저에 광학식으로 커플링된다. 각각의 조정 가능 다이오드 레이저 각각은 선택된 파장의 레이저 광을 발생시키기 위해 조정될 수 있다. 이러한 파장들은 하나 또는 그 초과의 목표 종들의 흡수 라인들과 대응하도록 선택될 수 있다.
레이저 빔의 각각의 파장은 이 파장을 위해 적절한 각각의 단일 모드 섬유(110, 115, 120)에 의해 운반된다. 예컨대, 실시예들의 하나의 세트에 따르면, 단일 모드 섬유(110)는 2330 ㎚ 파장 광을 운반하고, 단일 모드 섬유(115)는 1350 ㎚ 광을 운반하고, 단일 모드 섬유(120)는 760 ㎚ 광을 운반한다. 다른 실시예들에서, SM1950 광섬유가 2330 ㎚ 광을 운반하기 위해 단일 모드 섬유(110)를 위해 사용될 수 있고, SMF28e 광섬유가 1350 ㎚ 광을 운반하기 위해 단일 모드 섬유(115)를 위해 사용될 수 있고, SM750 광섬유가 760 ㎚ 광을 운반하기 위해 단일 모드 광섬유(120)를 위해 사용될 수 있다. SM1950 광섬유를 이용하는 실시예들에서, 2330 ㎚ 의 광은 1 ㏈/m 의 손실을 겪는다. 하지만, 이러한 손실 레벨은 짧은 길이들에 대하여 용인 가능할 수 있다.
3 개의 단일 모드 섬유(110, 115, 120)들은 섬유 번들(105)을 형성하기 위해, 커플링 조인트(coupling joint)(165)에서 조합된다. 실시예들의 하나의 세트에 따르면, 단일 모드 광섬유(110, 115,1 20)들의 각각의 말단부들은 이들의 코팅(125)이 스트립핑된다. 다양한 실시예들에서, 제거된 코팅(125)은, 제한 없이, 광섬유의 자켓팅(jacketing) 또는 버퍼(buffer) 물질의 일부 또는 전체를 포함할 수 있지만, 코어에 바로 인접한 피복재를 포함하는 것을 의도하지는 않는다. 스트립핑된 광섬유(110, 115, 120)들은 그 후 삼각형 형상(130)으로 배열되고 번들형이 되어서 접하는 이들 각각의 피복재에 의해 섬유 번들(105)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 커플링 조인트(165)는 3 개의 스트립핑된 광섬유(110, 115, 120)들이 섬유 번들(105)을 형성하기 위해 만나는 지점 주위에 보호 구조물을 제공할 수 있다. 커플링 조인트(165)는 섬유 번들(105)에 대하여 광섬유(110, 115, 120)들을 제 위치에 더 안정화시키거나 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 코어(135)들은 삼각형 형상(130)으로 번들형이 되고 여기서 코어(135)들은 125 미크론 - 2 개의 인접한 광섬유(110, 115, 120)들 사이의 피복재(140)의 두께 - 만큼 이격된다. 실시예들의 대안적인 세트에서, 다중 코어 섬유가 번들형 섬유들을 위해 대체될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 섬유 번들(105)은, 코어들의 삼각형 형상을 유지하고, 신호 특징들을 개선하기 위해, 노출된 코어들의 추가적인 물리적 보호를 위한 섬유 광 코어(135)들의 번들형 구성에 가해지는 자켓, 버퍼, 또는 다른 인케이싱(encasing)을 더 포함할 수 있다. 아크로매틱 더블릿(achromatic doublet)(도시되지 않음), 또는 다른 적절한 광 시준기(collimator)가 섬유 번들(105)로부터 광을 시준시키기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 초점면의 광의 가로 오프셋(offset)으로 인해, 빔들은 시준기를 빠져나간 후에 약 2 밀리라디안(milliradian)(125 미크론/50 ㎜ f.l.)만큼 분기된다. 따라서, 레이저 빔들의 각각의 상이한 파장들은, 이동 길이에 따라서, 상이한 위치로 캐치 측에 도착할 것이다. 이는 도 6에 대하여 이하에 더 상세하게 예시되고 설명된다.
따라서, 섬유 번들 조립체(100)는 피치 및 캐치 측 광학계들 사이의 정렬을 유지하기 위한 시스템을 요구할 수 있다. 이러한 정렬 시스템의 예는 발명의 명칭이 "연소의 감시 및 제어를 위한 방법 및 기기(Method and Apparatus for the Monitoring and Control of Combustion)" 인, 미국 특허 제 7,248,755 호('755 발명)에 설명되고, 이는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. '755 발명에 설명된 자동 정렬 시스템은, 정렬을 유지하고 적절한 신호가 각각의 주파수에서 수신되는 것을 보장하기 위해, 피치 측 광학 헤드 또는 캐치 측 광학 헤드 중 하나, 또는 피치 및 캐치 측 광학 헤드들 양쪽의 팁 및 기울기를 자동으로 그리고 동역학적으로 조절함으로써 이러한 오정렬 문제들을 극복한다. 자동 정렬 시스템은 도 6에 대하여 이하에 더 상세하게 설명된다.
일부 실시예들에서, 각각의 레이저 빔은 자동 정렬 시스템에 의한 피치 및/또는 캐치 광학계들의 재정렬을 요구할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 시간 분할 다중화(TDM)가 적절할 수 있다. WDM 기본 시스템 대신 TDM 을 채택함으로써, 캐치 헤드의 파장 역다중화를 수행해야 할 필요가 없어질 수 있다. 종래의 파장 역다중화기는 캐치 헤드에서의 부가적인 광섬유의 사용을 요구한다. 하지만, 2330 ㎚ 의 파장에서, 부가적인 광섬유는 수신되는 신호를 크게 감쇠시킬 수 있다.
각각의 입력 커넥터(connector)(155a, 155b, 155c(집합적으로 155))들은 각각의 광원(도시되지 않음)에 커플링된다. 예컨대, 다양한 실시예들에서, 입력 커넥터(155a)는 단일 모드 광섬유(110)를 2330 ㎚ 파장 광원에 커플링시킬 수 있고, 입력 커넥터(155b)는 단일 모드 광섬유(215)를 1350 ㎚ 파장 광원에 커플링시킬 수 있고, 입력 커넥터(155c)는 단일 모드 광섬유(220)를 760 ㎚ 파장 광원에 커플링시킬 수 있다. 섬유 번들(105)은 그 후 출력 커넥터(160)에 의해 피치 헤드 또는 전달 광학계에 커플링된다.
작동시에, 광원들의 각각은 TDM 계획을 따라 교대 방식으로 켜지고 꺼질 수 있어서 단지 하나의 광원이 주어진 시간에 전달된다. 예컨대, 다양한 실시예들에서, 약 2330 ㎚ 의 광을 발생하는 제 1 광원이 켜질 수 있다. 2330 ㎚ 신호는 단일 모드 광섬유(110)에 의해, 그리고 광섬유(110)에 대응하는 각각의 코어(135)의 섬유 번들(105)의 일부로서, 전달 광학계로 운반된다. 제 1 광원은 그 후 꺼지고, 1350 ㎚ 의 광을 발생하는 제 2 광원이 켜진다. 1350 ㎚ 신호는 그 후 단일 모드 광섬유(115)에 의해, 그리고 광섬유(115)에 대응하는 각각의 코어(135)의 섬유 번들(105)의 일부로서, 전달 광학계로 운반된다. 제 2 광원은 그 후 꺼지고, 760 ㎚ 의 광을 발생하는 제 3 광원이 켜진다. 760 ㎚ 신호는 그 후 단일 모드 광섬유(120)에 의해, 그리고 광섬유(120)에 대응하는 각각의 코어(135)의 섬유 번들(105)의 일부로서, 전달 광학계로 운반된다. 대안적으로 1 x 2 광 스위치가 레이저 소스들의 각각으로부터 단일 모드 섬유 번들의 적절한 레그(leg)로 또는 가상(dummy) 광 경로로 스위칭하는데 사용될 수 있어서, 단지 단일 파장의 광이 한 번에 섬유 번들의 말단부에 존재한다. 스위칭된 실시예는 다이오드 레이저들의 더 안정적인 작동을 가능하게 한다.
광을 캐치하고 검출 및 수치화를 위해 중앙에 위치된 랙(rack)으로 다시 전달하기 위해 광섬유를 사용하는 것은 CO 검출을 위해 약 2330 ㎚ 의 긴 파장을 사용할 때 문제가 되는데, 이는 이러한 파장은 실리카 섬유들에서 높은 감쇠를 겪기 때문이다(~ 1 ㏈/m). 예컨대, 설비들은 캐치 헤드들이, 많은 예들에서 1 킬로미터 또는 그 초과의 거리만큼 떨어질 수 있는 상이한 노들에 장착될 수 있는 정유 공장(refinery)에서 전개될 수 있는 시스템을 가질 수 있다. 이는 2330 ㎚ 의 전달된 광을 검출할 수 있기 위해 너무 많은 섬유를 요구하고, 섬유 1 킬로미터 당 약 ~ 1 x 10 내지 100 의 전달 손실을 갖는다. 다중 모드 캐치 섬유의 긴 주행으로 인한 다른 문제는 섬유의 간섭 효과들에 의해 발생되는 모드 소음이 흡수 피크들의 검출, 피팅(fitting) 및 수치화를 지연시키는 전달 소음을 생성한다는 것이다.
도 2는, 파장 역다중화기를 사용할 필요 없이, 수신되는 신호(220, 225, 230)들과 각각 연관된 각각의 파장의 제 1 수신된 신호(220), 제 2 수신된 신호(225) 및 제 3 수신된 신호(230)의 각각을 검출하기 위한 시간 분할 다중화 전략과 조합하여 캐치 헤드들 내에서, 또는 밀접하여 사용될 수 있는 이중 대역 검출기(200)의 횡단 개략도를 예시한다. 따라서, 이중 대역 검출기(200)는 검출, 디지털화 및/또는 신호 프로세싱이 캐치 헤드에서 발생하는 것을 가능하게 함으로써 섬유의 긴 길이들에 걸쳐 운반되는 2330 ㎚ 파장 광의 잠재적인 감쇠를 처리한다. 결과적인 데이터는 구리 또는 광섬유 매체의 이더넷(Ethernet) 프로토콜을 통한 최종 프로세싱 및 수치화를 위해 중앙 랙으로 다시 전달될 수 있다.
이중 대역 검출기(200)는 제 1 광 검출기 층(210) 및 제 2 광 검출기 층(215)을 갖는 샌드위치형 검출기 조립체(305)를 포함한다. 제 1 및 제 2 광 검출기 층(210, 215)들 각각은 각각의 수신된 신호(220, 225, 230)의 각각의 파장들 각각이 검출될 수 있도록 구성된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 제 1 광 검출기 층(210)은 실리콘(Si) PIN 광 검출기 층일 수 있고 제 2 광 검출기 층(215)은 연장된 인듐 갈륨 비화물(ex-InGaAs) 광 검출기일 수 있으며 이는 760 ㎚ 의 파장을 갖는 제 1 수신된 신호(220), 1350 ㎚ 의 파장을 갖는 제 2 수신된 신호(225), 및 2330 ㎚ 의 파장을 갖는 제 3 수신된 신호(230)를 검출하기 위한 것이다. 제 1 수신된 신호로부터의 760 ㎚ 광은 Si PIN 광 검출기(210)에 의해 양호하게 검출되지만, 제 2 및 제 3 신호(225, 330)들의 파장들을 포함하는, 적외선 근처(~1 내지 3 미크론)의 파장들은 Si PIN 광 검출기(210)에서 검출되지 않고 통과한다. 따라서, 더 긴 파장들은 제 2 광 검출기 층인, 약 1.3 미크론 내지 2.5 미크론까지 민감한 ex-InGaAs 광 검출기(215)에 나쁜 영향을 미친다. 하지만, ex-InGaAs 광 검출기(215)는 주파수 분할 다중화(FDM)와 같은, 즉 2 개의 상이한 주파수들의 제 2 및 제 3 수신된 신호를 변조하고 검출된 광의 주파수를 기초로 하여 구별하는, 더 복잡한 기술들에 대한 의존(recourse) 없이 제 2 수신된 신호(225) 및 제 3 수신된 신호(230)를 구분할 수 없다. 따라서, FDM 없이, 이중 대역 검출기(200)는 신호들을 동시적으로 검출하기 위해 사용될 수 없다. 섬유 번들 조립체(100)와의 사용을 위해 상기 제안된 바와 같은, TDM 을 이용함으로써, 3 개의 수신된 신호(220, 225, 230)들 중 단지 하나만이 임의의 주어진 시간에 켜질 것이며, 이는 제 2 수신된 신호(225) 및 제 3 수신된 신호(230)의 1350 ㎚ 및 2330 ㎚ 빔들을 물리적으로 떨어뜨릴 필요를 없앤다. 이러한 방식으로, TDM 및 이중 대역 검출기의 사용은 수신측의 역다중화에 대한 필요를 없앨 수 있다.
도 3은 다양한 실시예들에 따른, 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템(300)의 블록 다이어그램이다. 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템(300)은 특별한 파장의 레이저 광을 발생하기 위한 제 1 레이저 소스(305), 제 2 레이저 소스(310), 및 제 3 레이저 소스(315)를 포함한다. 예컨대, 레이저 소스(305, 310, 315)들은 일련의 조정 가능한 다이오드 레이저들일 수 있다. 제 1, 제 2, 및 제 3 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각은 측정 구역에서 각각의 해당 종들을 위한 흡수 스펙트럼의 흡수 라인에 대응하는 특정한 파장의 레이저 빔을 발생하도록 구성된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 제 1 레이저 소스(305)는 산소 분자(O2)들의 검출에 대응하는 760 ㎚ 의 레이저 빔을 발생하고, 제 2 레이저 소스(310)는 물 분자(H2O)들의 검출에 대응하는 1350 ㎚ 의 레이저 빔을 발생하고, 제 3 레이저 소스(315)는 일산화탄소(CO) 분자들의 검출에 대응하는 2330 ㎚ 의 레이저 빔을 발생한다. 이러한 예에서, 단지 3 개의 레이저 소스들이 예시로서 제공되며, 다른 실시예들에서, 임의의 수의 레이저 소스들이 임의의 다른 수의 선택된 흡수 라인 파장들의 레이저 빔들을 발생시키기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각은 측정 위치로부터 멀리 위치될 수 있는 랙 또는 캐비넷(cabinet)에 중앙에 하우징되고 제어된다.
각각의 레이저 소스(305, 310, 315)들로부터의 신호들은 복수의 피치 헤드(320a 내지 320n)들에 광학식으로 커플링된다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각으로부터의 신호들은 N-N 을 통하는 다중 경로 A-A 들의 각각을 따라 측정들을 하기 위해 복수의 피치 헤드(320a 내지 320n)의 각각 사이에서 스위칭된다. 단일 모드 거동을 보장하기 위해, 광학 스위치가, 하나의 파장이 직렬 방식으로 각각의 피치 헤드로부터 전달되는 것을 가능하게 하기 위해, 각각의 피치 헤드(320a 내지 320n)에 각각의 광의 파장에 대하여 제공될 수 있다.
대안적으로는, 일부 실시예들은 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각으로부터의 신호들이 다중 경로들의 각각을 따라 나누어지는 것을 요구하여서 병렬로 복수의 피치 헤드(320a 내지 320n)들의 각각에 각각의 레이저 빔들을 제공한다. 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템들은 본질적으로 입자가 없는, 이를테면 유리 노들 및 다른 천연 가스 연소 노들과 같은 측정 구역들에 종종 사용되며, 이는 노들 자체들에 의해 야기되는 무시할 수 있는 레이저 파워 감쇠를 초래한다. 따라서, 레이저 소스(305, 310, 315)들로부터의 광은 각각의 피치 헤드(320a 내지 320n) 사이에서 직렬식으로 광을 스위칭하기 보다는 병렬로 다중 경로들의 역할을 하도록 나누어질 수 있고, 이는 석탄 및 강 전기 아크 노들과 같은 높은 산란 분야들을 위해 요구되며 여기서 레이저 파워 감쇠는 충분히 높아서 모든 파워가 각 경로에서 측정하기 위해 이용 가능해야만 한다. 상기 설명된 시간 다중화 전략과 조합하여, N-N 을 통하는 모든 경로들 A-A 은 종들에 대하여 동시적으로 측정될 수 있고, 스위칭은 다중 경로들 사이에서보다는 측정된 종들(즉 파장) 사이에서 발생할 수 있다.
섬유 번들 조립체(325a 내지 325n)들은 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각으로부터 대응하는 피치 헤드(320a 내지 320n)로 레이저 빔들의 각각을 전달하기 위해 제공된다. 실시예들의 하나의 세트에서, 레이저 소스(305, 310, 315)들의 각각으로부터의 신호들은, 상기 도 1 및 도 2에 관하여 설명된 바와 같이, 각각의 신호의 파장에 대응하는 각각의 단일 모드 섬유에 걸쳐 운반된다. 섬유 번들 조립체(325a 내지 325n)들은 그 후 주어진 시간에 단지 하나의 파장을 갖는 별개의 시간 분할 다중화된 신호를 발생하기 위해 레이저 빔들의 각각을 전달한다. 단일 모드 작동은 파장들의 전체 범위에 걸쳐 유지되고 피치 헤드(320a 내지 320n)들의 피치 광학계들의 단일 세트로 전달된다.
피치 헤드(320a 내지 320n)들은 측정 구역(330)에 걸쳐 별개의 시간 분할 다중화된 빔을 투사하기 위해 시준기 또는 다른 피치 광학계들을 포함할 수 있다. 각각의 캐치 헤드(335a 내지 335n)들의 각각은, 측정 구역(330)에 걸쳐, 대응하는 피치 헤드(335a 내지 335n)로부터 이격된다. 피치 헤드(320a 내지 320n)들의 각각은 각각의 별개의 시간 분할 다중화된 빔이 캐치 헤드에 의해 수신되도록 각각의 캐치 헤드(335a 내지 335n)와 정렬된다. 일부 실시예들에서, 피치 및/또는 캐치 헤드들은 '755 특허에 설명된 바와 같은, 그리고 이하의 도 6에 대하여 더 상세하게 설명되는, 자동 정렬 시스템을 통하여 정렬된다.
다양한 실시예들에서, 캐치 헤드(335a 내지 335n)들은 시간 분할 다중화된 빔들의 각각을 수신하기 위해 각각의 섬유 번들 조립체(340a 내지 340n)들을 또한 선택적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 섬유 번들 조립체(335a 내지 335n)는 전달된 신호의 특별한 파장에 대응하는 코어가 빔을 수신하도록 사용될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 캐치 헤드(335a)는 파장 번들형 빔을 섬유 번들의 적절한 섬유 상으로 포커싱하는 렌즈를 포함할 수 있다. 자동 정렬 시스템은 그 후 빔을 캐치 측 섬유 번들 조립체(340a)에 대해 정렬하기 위해 렌즈, 캐치 측 섬유 번들 조립체(340a), 피치 측 섬유 번들 조립체, 피치 헤드, 또는 이러한 요소들의 조합을 조절할 수 있다.
수신된 빔은 캐치 헤드(335a 내지 335n)에 의해 각각의 광 검출기(345a 내지 345n) 상으로 지향된다. 일부 실시예들에서, 대응하는 단일 모드 섬유가 각각의 신호의 파장을 운반하는데 사용된다. 다른 실시예들에서, 신호는 다중 모드 섬유에 의해 수신되고 운반될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 광 검출기(345a 내지 345n)는 캐치 헤드(335a 내지 335n)에 밀접할 수 있어서 캐치 헤드(335a 내지 335n)로부터 광 검출기(345a 내지 345n)로 신호를 운반하는데 사용되는 광섬유의 길이들을 최소화한다. 일부 다른 실시예들에서, 광 검출기(345a 내지 345n)는, 각각의 캐치 헤드(335a 내지 335n)의 수신 광학계(들)가 수신된 빔을 직접적으로 각각의 광 검출기(345a 내지 345n) 상으로 포커싱하도록, 각각의 캐치 헤드(335a 내지 335n) 내에 제공될 수 있다.
각각의 광 검출기(345a 내지 345n)는 수신된 각각의 광의 파장의 광 세기들을 검출하고 측정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 광 검출기(345a 내지 345n)들은 도 2에 설명된 바와 같은 이중 대역 광 검출기(200)들이다. 광 검출기(345a 내지 345n)들로부터의 측정들은 그 후 추가의 프로세싱 및 분석을 위해 제어 시스템(350)으로 다시 전달된다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(350)은 중앙 랙에 위치될 수 있고 데이터는 구리 또는 광섬유 매체와 같은 물리적 링크에 걸쳐 직접적으로, 또는 제한 없이 근거리 네트워크(LAN), 광역 네트워크(WAN), 가상 네트워크, 인터넷, 인트라넷 또는 개인 네트워크를 포함하는 통신 네트워크를 통하여 중앙 랙으로 다시 전달될 수 있다. 통신 네트워크로의 연결은 유선 또는 무선 중 하나일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제어 시스템(350)은 측정 구역(330)에서 연소 환경을 제어하기 위해 피드백 루프(fee㏈ack loop)의 일부로서 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신된 신호의 일부 프로세싱(예컨대 파형 평균화)은 제어 시스템으로의 대역폭 전달 요건들을 최소화하기 위해, 예컨대 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field programmable gate array; "FPGA")에 의해 헤드들에서 발생할 수 있다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 넓게 이격된 파장 TDLAS 를 위한 방법의 흐름도(400)이다. 블록(405)에서, 레이저 빔들은 목표로 정해진 종들의 선택 흡수 라인 파장들로 선택된다. 일부 실시예들에서, 레이저 빔들은 블록(420)에 관하여 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 발생될 각각의 레이저 빔 사이에서 스위칭하는 TDM 계획을 따라 발생될 수 있지만, 다른 실시예들에서, 레이저 빔들은 동시적으로 발생될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 빔들은 적어도 제 1 파장, 이를테면 100 ppm 의 레벨의 CO 의 검출에 대응하는 파장으로, 그리고 제 2 파장, 이를테면 O2 의 검출에 대응하는 파장으로 발생된다. 이러한 예에서, 제 1 및 제 2 파장들은 또한 넓게 이격되어 있어서 이들이 공통 단일 모드 섬유에 의해 운반될 수 없을 수 있다.
대신, 블록(410)에서, 레이저 빔들의 각각은 레이저 빔의 각각의 특별한 파장을 위한 각각의 단일 모드 광섬유에 걸쳐 운반된다. 빔들은 각각의 단일 모드 광섬유들에 의해 섬유 번들 조립체로 운반된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 피치 헤드는 섬유 번들 조립체의 전체 또는 일부를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 섬유 번들 조립체는 피치 헤드로부터 분리될 수 있다.
블록(415)에서, 광섬유들은 섬유 번들 조립체로 배열된다. 상기에 도 1에 대하여 설명된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 광섬유들의 각각의 말단부들은 이들의 코팅들이 스트립핑되고, 이들의 피복재들 및 코어들은 온전하고, 삼각형 형상으로 배열된다. 이러한 삼각형 형상은 섬유 번들을 형성하기 위해 패키징된다.
블록(420)에서, 섬유 번들 조립체는 측정 구역을 통하여 프로브(probe) 신호를 전달한다. 프로브 신호는 각각 선택된 파장들의 각각의 성분 신호들을 포함할 수 있고, 각각의 선분 신호는 대응하는 단일 모드 광섬유들에 걸쳐 운반된다. 다양한 실시예들에서, 단지 하나의 성분 신호의 파장이, TDM 시퀀스(sequence)를 따라, 주어진 시간에 섬유 번들 조립체를 통하여 전달될 수 있다.
블록(425)에서, 프로브 신호는 피치 헤드로부터, 측정 구역에 걸쳐 이격된 캐치 헤드에서 수신된다. 다양한 실시예들에서, 캐치 헤드는 다중 모드 섬유, 각각의 단일 모드 섬유, 섬유 번들 조립체, 광 검출기, 또는 그렇지 않다면 캐치 헤드의 특정 구성에 대하여 적절하게 프로브 신호를 지향시키기 위해 하나 또는 그 초과의 수신 광학계들을 사용할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 캐치 헤드는 각각의 성분 신호의 파장을 이 파장에 대응하는 단일 모드 광섬유에 의해 수신하는데 사용될 수 있는 대응하는 섬유 번들 조립체를 이용할 수 있다. 다른 실시예들에서, 캐치 헤드는 수신된 파장 번들형 빔의 검출된 광 세기들을 기초로 하여 피치 헤드와의 정렬을 유지하기 위해 캐치 헤드 기울기 및 팁을 동역학적으로 조절하는, '755 특허에 설명된 바와 같은 자동 정렬 시스템을 또한 이용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기는 캐치 헤드 내에 제공될 수 있고, 캐치 헤드는 수신된 파장 번들형 빔을 자유 공간(공기)을 통하여 직접적으로 내부 광 검출기로 지향시킬 수 있다.
블록(430)에서, 각각의 프로브 신호의 성분 파장이 검출된다. 이를 달성하기 위해, 도 2에 대하여 설명된 이중 대역 광 검출기(200)와 조합하여 TDM 시스템을 사용하는 것에 의한 것과 같이, 각각의 성분 파장을 검출할 수 있는 단일 광 검출기 조립체가 제공될 수 있다. 대안적으로, 각각의 선택된 파장에 대하여 각각 민감한 별개의 광 검출기가 사용될 수 있다.
블록(435)에서, 광 세기는 광 검출기를 통하여 각각의 성분 파장 각각에 대하여 판정된다. 광 세기는 그 후, 프로브 신호의 경로에 걸쳐, 측정 구역의 목표로 정해진 종들의 상대 농도를 판정하기 위해, 캐치 헤드 또는 별도의 원격 위치에 위치되는, 다른 구성요소들에 의해 추가로 프로세싱될 수 있다.
선택적인 블록(440)에서, 하나 또는 그 초과의 연소 파라미터가 측정 구역의 하나 이상의 종들의 측정된 농도를 기초로 하여 조절된다. 연소 파라미터들은, 제한 없이, 연료 조성, 농도, 양, 공연비, 또는 다른 연료 관련 파라미터; 공기 흡기 또는 밸브 파라미터들; 전체 노 온도; 전기 아크 노의 전극에 공급되는 전압; 또는 측정 구역 내의 연소 특성들에 영향을 미치는 임의의 다른 입력 파라미터를 포함할 수 있다.
실시예들의 하나의 세트에서, 제어 시스템은 다양한 목표로 정해진 종들의 농도의 판정을 기초로 하여 하나 또는 그 초과의 연소 파라미터들을 조절할 수 있다. 일부 실시예들에서, 목표로 정해진 종들은, 연소 밸런스, 효율, 및 연소 프로세스에 의해 발생되는 방출물들과 같은 연소 프로세스의 다양한 특징들을 나타낼 수 있다. 예컨대, 공연비는 CO 및 O2 의 측정된 농도에 대응하여 조절될 수 있고; 연료 농도는 CO, CO2, O2, 또는 CO, CO2, 및 O2 의 조합에 대응하여 조절될 수 있고; 기타 등등이 있다. 연소 파라미터는 하나 이상의 종들의 대응하는 측정된 농도를 기초로 하여 조절될 수 있다.
다른 실시예들에서, 연소 파라미터들은 측정 구역의 각각의 영역들에 대응하는 측정들을 기초로 하여 측정 구역의 각각의 영역에서 독립적으로 조절될 수 있다. 예컨대, 피치 및 캐치 헤드들의 2 또는 그 초과의 쌍들의 측정들로부터 비롯되는 측정된 농도는 피치 및 캐치 헤드들의 각각의 쌍의 각각의 측정 경로에 의해 규정되는 측정 구역의 영역에 대응할 수 있다. 따라서, 상기 규정된 영역의 측정된 농도들을 기초로 하여, 연소 파라미터들이 규정된 영역에서 국부적으로 조절될 수 있다. 예컨대, 규정된 영역에 가장 직접적으로 영향을 미치는 종래의 노의 하나 또는 그 초과의 버너(burner)들이 확인될 수 있고 연소 파라미터들은 확인된 버너들에 대하여 독립적으로 조절될 수 있다.
도 5는 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템(500)의 섬유 번들 조립체의 다양한 코어들로부터의 빔 분기를 개략적으로 묘사한다. 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템(500)은 전달 시준 광학계(530), 수신 렌즈(535), 및 캐치 헤드(555) 뒤에 위치되는 피치 측 섬유 번들 조립체(505)를 포함한다. 캐치 헤드는, 파선들로 묘사된, 광 검출기(560)를 선택적으로 포함할 수 있다. 도 1에 대하여 상기 설명된 바와 같이, 각각의 피치 측 섬유 번들 조립체(505)는 3 개의 단일 모드 광섬유들을 갖는 섬유 번들을 포함한다. 각각의 단일 모드 광섬유는 각각의 레이저 파장을 운반한다. 단일 모드 광섬유들의 각각은 이들의 코팅이 스트립핑되고 삼각형 형상으로 배열된다. 아크로매틱 더블릿(도시되지 않음), 또는 다른 적절한 시준 광학계(530)가 섬유 번들로부터의 광을 시준시키는데 사용될 수 있다.
초점면의 가로 오프셋으로 인해, 빔들 각각은 약간 분기될 것이고 캐치 헤드 광학계의 초점면의 상이한 위치에 렌즈(535)에 의해 포커싱될 것이며, 피치 헤드와 캐치 헤드 사이의 증가하는 거리에 따라 선형으로 증가한다. 이러한 가로 오프셋은 각각 코어들 각각으로부터 비롯되는 분기 콘(cone)(515, 520, 525)들에 의해 예시된다. 광 경로(X-X, Y-Y 및 Z-Z)들은 3 개의 콘(515, 520, 525)들의 각각의 빔들에 대응한다. 따라서, 렌즈(535)에 의해 포커싱될 때, 각각의 빔은 공간의 상이한 지점에 포커싱된다. 예컨대, 분기 콘(515)을 갖고, 광 경로(X-X)를 취하는 삼각형 번들 형상의 최상부 섬유로부터 비롯되는 빔은 지점(540)에 의해 나타낸 위치에 포커싱된다. 분기 콘(520)을 갖고, 광 경로(Y-Y)를 따라 이동하는 하부 우측 섬유로부터의 빔은 지점(545)에 의해 나타낸 위치에 포커싱된다. 분기 콘(525)을 갖고, 광 경로(Z-Z)를 따라 이동하는 하부 좌측 섬유로부터의 빔은 지점(550)에 의해 나타낸 위치에 포커싱된다. 따라서, 빔들이 캐치 헤드(555)에 도달할 때, 캐치 헤드(555)는 전달된 빔에 대응하는 지점(540, 545, 550)들에서 신호를 수신하기 위해 정렬되어야만 한다. 다양한 실시예들에서, 캐치 헤드는 '755 특허에 설명되고, 이하의 도 6에 대하여 더 상세하게 설명되는 바와 같은 자동 정렬 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 캐치 헤드(555)는 전달된 파장들의 각각을 검출하기 위해 간단하게는 광 검출기(560)를 포함할 수 있고, 따라서 캐치 헤드(555), 피치 헤드(도시되지 않음), 또는 양자는 빔들이 센서에 의해 수신되도록 조절된다. 따라서, 광 검출기(560)는 광 검출기(560)가 빔이 전달되는 기간(window of time) 동안 지점(540)에, 빔이 전달되는 기간 동안 지점(545)에, 그리고 적절한 타임 윈도우(time window)일 때 지점(550)에 각각의 빔들을 수신하게 되도록 위치되어야만 한다.
실시예들의 대안적인 세트에서, 빔들은 캐치 헤드의 각각의 섬유를 향하여 지향될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 캐치 헤드는 캐치 측 섬유 번들 조립체를 포함할 수 있고, 캐치 헤드(555), 캐치 측 섬유 번들 조립체, 피치 헤드(묘사되지 않음), 피치 측 섬유 번들 조립체(505), 또는 이러한 요소들의 조합은 각각의 파장 빔이 캐치 측 섬유 번들 조립체의 섬유 번들의 각각의 섬유 코어에 의해 수신되도록 자동 정렬 시스템에 의해 정렬되어야만 한다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 캐치 측 섬유 번들 조립체의 최정상 섬유는, 피치 측 섬유 번들 조립체(505)의 최정상 섬유에 대응하거나 또는 이와 동일한 타입의 섬유일 수 있다. 유사하게, 저부 좌측 섬유들은 서로 대응할 수 있고, 저부 우측 섬유들을 또한 서로 대응할 수 있다.
도 6은 넓게 이격된 TDLAS 시스템을 위한 자동 정렬 시스템(600)의 시스템 블록 다이어그램이다. 자동 정렬 시스템(600)은 피치 헤드 플랫폼(675)에 커플링되고, 캐치 헤드(620)와 광 통신하는 피치 헤드(605), 캐치 헤드 플랫폼(665)에 커플링되는 캐치 헤드(620)를 포함한다. 피치 헤드(605)는 광 경로(l-l)를 통하여 캐치 헤드(620)에 광 신호를 전달한다. 피치 헤드(605)는 전달 광학계(610)를 포함하고, 다양한 실시예들에서, 섬유 번들 조립체(615)를 선택적으로 포함할 수 있다. 캐치 헤드(620)는 수신 광학계(625), 선택적인 섬유 번들 조립체(630)(파선들로 도시됨), 및 센서(635)를 포함한다.
피치 헤드 플랫폼(675)은 하나 또는 그 초과의 제어 장치(670)들에 커플링되고, 캐치 헤드 플랫폼(665)은 하나 또는 그 초과의 제어 장치(660)에 커플링된다. 제어 장치(660, 670)들의 각각은 전자 제어기(655)에 통신적으로 커플링된다. 전자 제어기(655)는 제어 시스템(640)에 커플링된다. 캐치 헤드(620)의 센서(635)는 제어 시스템(640)에 통신적으로 커플링되고 측정된 신호들을 기초로 하여 다른 계산들 및 기능들 중에서 피드백 기반 정렬 제어를 위해 제어 시스템(640)에 측정 데이터를 제공한다. 다양한 실시예들에서, 센서(635)는 도 2에 대하여 상기 설명된 바와 같은 이중 대역 검출기를 포함한다. 제어 시스템(640)은 프로세서(645), 메모리(650), 및 컴퓨터 판독 가능 매체(680)를 포함한다. 제어 시스템은 컴퓨터 판독 가능 매체(680)에 저장될 수 있고 시스템 메모리(650)로 로딩될 수 있는 다양한 소프트웨어 요소들 및 컴퓨터 명령들을 포함할 수 있다. 시스템 메모리(650)는, 제한 없이, 프로그램 가능하고, 플래시-업데이트 가능한 것 등등일 수 있는, 임의 접근 메모리(RAM) 또는 읽기 전용 메모리(ROM)를 포함할 수 있다.
각각의 캐치 및 피치 헤드는 캐치 및 피치 헤드 플랫폼(665, 675)들에 각각 부착된다. 캐치 및 피치 헤드 플랫폼(665, 675)들은 2 이상의 축선 자유도를 따라 조절 가능하다. 예컨대, 실시예들의 하나의 세트에서, 캐치 및 피치 헤드 플랫폼들은 광 축선(l-l)에 대해 직교하는 축선들을 중심으로 하는 팁 및 기울기, 그리고 광 축선(l-l)을 중심으로 하는 회전을 가능하게 할 수 있다. 다른 실시예들에서, 캐치 및 피치 헤드 플랫폼(665, 675)들은 광 축선(l-l)에 대해 직교하는 평면을 따라, 가로로 또한 이동할 수 있고, 광 축선(l-l)을 따라 횡으로, 전방으로 및 후방으로 이동할 수 있다. 팁, 기울기, 회전, 가로 및 축선 상(on-axis) 이동들은 하나 또는 그 초과의 각각의 제어 장치(660, 670)들에 의해 가동될 수 있다. 제어 장치(660, 670)들은, 제한 없이, 서보 모터(servo motor)들, 스테퍼(stepper) 모터들, 공압 액츄에이터들, 유압 액츄에이터들, 또는 캐치 및 피치 헤드 플랫폼(665, 675)들의 위치를 조절하기 위한 가동의 임의의 다른 전자 기계적 수단을 포함한다. 실시예들의 다른 세트에 따르면, 피치 및 캐치 헤드(605, 620)들의 구성요소들의 각각은 독립적으로 제어될 수 있고, 각각의 구성요소는 별개의 조절 가능한 스테이지들에 장착된다. 예컨대, 다양한 실시예들에서, 전달 광학계(610), 섬유 번들 조립체(615), 피치 헤드(605), 수신 광학계(625), 선택적인 캐치 측 섬유 번들 조립체(630), 광 검출기(635), 및 캐치 헤드(620) 중 임의의 것 또는 이들 모두는 독립적인 조절 가능한 스테이지들에 장착될 수 있다.
제어 장치(660, 670)들은 전자 제어기(655)에 의해 제어될 수 있다. 시스템 정렬 동안, 다양한 실시예들은 제어 시스템(640)이 센서(635)에 의해 검출되는 수신된 레이저 광의 광 파워를 감시하는 것을 요구한다. 오정렬은 수신된 신호의 광 파워를 감소시킬 것이다. 자동 정렬 동안, 제어 시스템(640)은 센서(635)로부터 검출된 신호를 측정하고 제어 장치(660, 670) 중 하나 또는 양자가 일 방향으로 소정의 변위만큼 이동하는 것을 야기하기 위해 전자 제어기(655)에게 지시한다. 제어 시스템(640)은 그 후 검출된 신호를 재측정한다. 신호가 증가한다면, 그 후 제어 시스템(640)은 신호가 더이상 증가하지 않을 때까지 제어 장치(660, 670)가 동일한 방향으로 보조를 맞춰 계속해서 이동하는 것을 야기하도록 전자 제어기(655)에게 지시한다. 제어 시스템(640)은 그 후 하나 또는 그 초과의 제어 장치(660, 670)들 중 다른 제어 장치들이 이전의 축선에 대해 직교하는 축선을 따라 이동하는 것을 야기하도록 전자 제어기(655)에게 지시한다. 팁, 기울기, 가로, 및 횡 이동들은 피치 및 캐치 헤드(605, 620)들을 정렬시키기 위해 이러한 방식으로 이루어질 수 있다. 이러한 방식에서, 센서(635)는 자동 정렬 목적들을 위해 제어 시스템(640)에 피드백을 제공한다. 다른 실시예들에서, 피치 및 캐치 헤드들은 다중 축선들을 따라 동시적으로 정렬될 수 있거나, 다른 대안적인 방식으로, 한 번에 하나의 축선을 따라 순차적으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(640)은 전자 제어기(655)로 측정된 신호 레벨들을 단지 전달할 수 있고, 이에 의해 전자 제어기(655)는 그 후 정렬 공정을 시행할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 시스템(640)은 전자 제어기(655)에 대한 요구 없이 제어 장치(660, 670)들로 제어 신호들을 직접 송신할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 제어 시스템(640)은 독립적으로 또는 조합된 방식으로 캐치 헤드 플랫폼(665) 및 피치 헤드 플랫폼(675)을 이동시킬 수 있다.
섬유 번들 조립체의 섬유 코어들의 가로 오프셋(즉, 초점면의 오프셋)으로 인해, 전달된 빔들의 각각은 약간 분기될 것이다. 따라서, 수신 광학계(625)에 의해 비시준될 때(decollimated), 빔들은 공간의 상이한 지점들에 포커싱될 것이다. 따라서, 시스템에 의해 자동 정렬될 때, 섬유 번들의 코어들의 각각으로부터 신호들의 각각에 대응하는 다중 정렬들이 필요할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(640)은 각각의 섬유 코어 각각에 대응하는 각각의 파장 빔에 대한 자동 정렬 공정을 실행할 수 있다. 따라서, 캐치 헤드(620)는 센서(635)가 피치 측 섬유 번들 조립체(615)로부터 대응하는 파장 빔을 수신하도록 정렬되어야만 한다.
다양한 실시예들에서, 자동 정렬 공정은 실제 작동 전에 시행될 수 있고, 각각의 수신된 파장 빔을 위한 정렬 위치들은 전자 제어기(655) 및/또는 제어 시스템(640)에 의해 저장될 수 있고, 캐치 헤드(620)는 전달된 파장 빔에 대응하는 저장된 위치들의 각각으로 조절될 수 있다. 다른 실시예들에서, 캐치 헤드(620)의 정렬은 각각의 빔이 전달될 때 실시간으로 조절될 수 있다.
일 양태에서, 실시예들은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법들을 수행하기 위해 제어 시스템(640)을 이용할 수 있다. 실시예들에 세트에 따르면, 이러한 방법들의 공정들의 일부 또는 전체는 하나 또는 그 초과의 명령들의 하나 또는 그 초과의 순서들을 실행하는 프로세서(645)에 반응하여 제어 시스템(640)에 의해 수행된다. 하나 또는 그 초과의 명령들은 작동 시스템 및/또는 메모리(650)에 포함될 수 있는 코드, 이를테면 어플리케이션 프로그램에 포함될 수 있다. 이러한 명령들은 컴퓨터 판독 가능 매체(680), 이를테면 저장 장치(들)(묘사되지 않음) 중 하나 또는 그 초과로부터 메모리(650)로 읽어들여질 수 있다.
대안적인
이색성
빔 조합기
아키텍쳐
도 7은, 단일 모드 작동에서, 단일 피치 헤드로부터, 다양한 실시예들에 따라, 이색성 빔 조합기(700)에 의해 대응하는 단일 캐치 헤드로 넓게 이격된 파장 빔들을 전달하기 위한 대안적인 아키텍쳐를 예시한다. 이색성 빔 조합기(700)는 넓게 이격된 파장 TDLAS 시스템의 각각의 전달 피치 헤드, 캐치 헤드, 또는 피치 및 캐치 헤드들 양쪽에 제공된다.
이색성 빔 조합기(700)는 제 1 이색성 요소(705) 및 제 2 이색성 요소(710)를 갖는 하우징(730)을 포함한다. 이색성 요소(705, 710)들의 각각은, 다른 파장들의 광이 통과하는 것을 허용하면서, 특정 파장 또는 파장들의 범위의 광을 반사하는 거울 또는 이색성 빔 스플리터(beamsplitter)로서 작용한다. 예컨대, 실시예들의 하나의 세트에 따르면, 단일 모드 섬유(715)는 2330 ㎚ 파장 광을 전달하는데 사용될 수 있고, 단일 모드 섬유(720)는 1350 ㎚ 광을 전달하는데 사용되고, 단일 모드 섬유(725)는 760 ㎚ 광을 전달하는데 사용된다. 따라서, 이색성 요소(705, 710)들은 2330 ㎚ 광이 통과하는 것을 허용하도록 선택되고, 이색성 요소(705)는 1350 ㎚ 의 광을 반사하고, 이색성 요소(710)는 760 ㎚ 의 광을 반사하지만, 또한 1350 m 광이 지나가는 것을 허용한다.
따라서, 레이저 빔의 각각의 파장은 이 파장에 대해 적절한 각각의 단일 모드 섬유(715, 720, 725)를 통하여 이색성 빔 조합기(700)로 들어가고, 단일 모드 섬유(715, 720, 및 725)들의 각각은 하우징(730)에 광학식으로 커플링된다. 하우징(730), 단일 모드 광섬유(715, 720, 725)들 및 이색성 요소(705, 710)들은 하우징(730)의 출구 구멍에서 시준 렌즈(735)를 통하여 시준되는 파장 조합된 빔을 발생하도록 구성되고 정렬된다.
이색성 빔 조합기(700) 아키텍쳐를 이용하는, TDM 또는 WDM 구성이 이용될 수 있다. 예컨대, 실시예들의 하나의 세트에 따르면, 광의 다양한 파장들이 교대 방식으로 전달될 수 있고, 주어진 시간에 단지 하나의 광의 파장이 전달된다. TDM 구성을 이용하는 실시예들에서, 캐치 헤드는 전달된 신호를 직접적으로 수신하기 위한 광 검출기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 대응하는 캐치 측 이색성 빔 조합기(조합 해제기)가 이용될 수 있다. 실시예들의 다른 세트에 따르면, WDM 구성이 이용될 수 있고, 각각의 광의 파장은 동시적으로 전달된다. 이러한 구성에서, 이색성 빔 조합기들의 대응하는 세트가 이용될 수 있다.
한 쌍의 대응하는 피치 및 캐치 측 이색성 빔 조합기(700)가 사용되고, 피치 측 이색성 빔 조합기는 파장 조합된 빔을 발생하는데 사용될 수 있고, 캐치 측 이색성 빔 조합기는 파장 조합된 빔을 조합 해제하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 피치 측 이색성 요소(705, 710)들은 2330 ㎚ 광이 통과하는 것을 허용하도록 선택될 수 있고, 이색성 요소(705)는 1350 ㎚ 의 광을 반사하고, 이색성 요소(710)는 760 ㎚ 의 광을 반사하지만, 또한 1350 ㎚ 광이 지나가는 것을 허용한다. 수신 측에서, 이색성 요소(705, 710)들은 마찬가지로 2330 ㎚ 광이 통과하는 것을 허용하지만, 캐치 측의 이색성 요소(710)가 760 ㎚ 의 광을 반사하는 반면, 1350 ㎚ 및 2300 ㎚ 의 광이 통과하는 것을 허용하고, 캐치 측의 이색성 요소(705)가 1350 ㎚ 의 광을 반사하지만, 2330 ㎚ 의 광이 통과하는 것을 허용하도록 선택될 수 있다.
다른 실시예들에서, 이색성 빔 조합기들은 또한 상기 실시예들에 대하여 설명된 바와 같은 섬유 번들 조립체들과, 뿐만 아니라 섬유 번들 조립체들에 대하여 설명된 자동 정렬 시스템과 조합하여 이용될 수 있다.
본원에 설명된 방법들 및 프로세스들의 공정들이 설명의 용이함을 위해 특별한 순서로 설명되었지만, 내용이 달리 설명하지 않는다면, 다양한 공정들이 다양한 실시예들에 따라 순서가 다시 정해지고, 부가되고, 및/또는 생략될 수 있다. 또한, 하나의 방법 또는 프로세스에 대하여 설명된 공정들은 다른 설명된 방법들 또는 프로세스들과 통합될 수 있고; 마찬가지로 특별한 구조적 아키텍쳐에 따라 및/또는 하나의 시스템에 대하여 설명된 시스템 구성요소들은 대안적인 구조적 아키텍쳐들로 구성될 수 있고 및/또는 다른 설명된 시스템들 내에 통합될 수 있다. 그리하여, 다양한 실시예들이 설명의 용이함을 위해 특정한 특징들을 갖고 - 또는 특징들 없이 - 그리고 이러한 실시예들의 예시적인 양태들을 예시하기 위해 설명되지만, 특별한 실시예에 대하여 본원에 설명된 다양한 구성요소들 및/또는 특징들은, 내용이 달리 설명하지 않는다면, 다른 설명된 실시예들 중에서 대체되고, 부가되고 및/또는 빠질 수 있다. 결과적으로, 몇몇 예시적인 실시예들이 상기 설명되지만, 본 발명은 이하의 청구항들의 범주 내의 모든 수정들 및 동등물들을 커버하는 것이 의도되는 것이 이해될 것이다.
Claims (20)
- 넓게 이격된 파장 조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학을 위한 시스템으로서:
적어도 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저로서, 상기 제 1 조정 가능 다이오드 레이저는 제 1 파장의 레이저 광을 발생하고, 상기 제 2 조정 가능 다이오드 레이저는 제 2 파장의 레이저 광을 발생하며, 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 단일 모드 섬유에 동시적으로 높은 효율을 가지면서 단일 횡단 모드에서 동시 전파될 수 없는, 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저;
선단부 및 말단부를 갖는 제 1 섬유로서, 상기 제 1 섬유는 선단부에서 제 1 조정 가능 다이오드 레이저와 광학식으로 커플링되고, 상기 제 1 섬유는 제 1 파장의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 광섬유인, 제 1 섬유;
선단부 및 말단부를 갖는 제 2 섬유로서, 상기 제 2 섬유는 선단부에서 제 2 조정 가능 다이오드 레이저에 광학식으로 커플링되고, 상기 제 2 섬유는 제 2 파장의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 광섬유인, 제 2 섬유;
적어도 상기 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들을 포함하는 섬유 번들로서, 상기 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들은 이들 각각의 코팅들이 스트립핑되고(stripped), 상기 제 1 섬유의 제 1 섬유 광 코어 및 제 2 섬유의 제 2 섬유 광 코어는 이들의 피복재들이 서로 인접하여 배열되어 번들형 구성을 형성하는, 섬유 번들;
전달 광학계를 포함하는 하나 또는 그 초과의 피치 헤드(pitch head)들로서, 상기 전달 광학계는 섬유 번들의 제 1 및 제 2 섬유들의 말단부들을 통하여 제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저들에 광학식으로 커플링되고, 상기 피치 헤드는 제 1 섬유 광 코어 및 제 2 섬유 광 코어로부터의 레이저 광의 각각의 빔들을 투사하도록 구성되고, 상기 피치 헤드는 측정 구역을 통하여 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터의 각각의 빔들을 투사하도록 배향되는, 피치 헤드;
하나 또는 그 초과의 센서로서, 각각의 센서는 각각 하나 이상의 광 검출기를 포함하고, 하나 이상의 광 검출기의 각각은 제 1 및 제 2 파장들의 광의 광 파워를 검출하도록 구성되는, 센서; 및
상기 하나 또는 그 초과의 피치 헤드로부터 선택된 거리만큼 측정 구역에 걸쳐 위치되는 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드(catch head)로서, 상기 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드는 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각의 빔들을 수신하기 위해 그리고 하나 또는 그 초과의 센서 중 하나 이상으로 각각의 빔들을 지향시키기 위해 하나 또는 그 초과의 피치 헤드의 각각의 피치 헤드와 광 통신하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드는:
수신 광학계; 및
각각 하나 또는 그 초과의 센서 중 하나 이상을 더 포함하고,
상기 전달 광학계 또는 수신 광학계 중 하나 이상은 하나 또는 그 초과의 센서 중 하나 이상으로 각각의 빔들을 지향시키도록 구성되는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제 3 파장의 레이저 광을 발생하는 제 3 조정 가능 다이오드 레이저;
선단부 및 말단부를 갖는 제 3 섬유로서, 상기 제 3 섬유는 선단부에서 제 3 조정 가능 다이오드 레이저와 광학식으로 커플링되고, 상기 제 3 섬유는 제 3 파장의 광을 운반하도록 구성되는 단일 모드 광섬유인, 제 3 섬유를 더 포함하고,
상기 섬유 번들은 제 3 섬유의 말단부를 더 포함하고, 상기 제 3 섬유의 말단부는 그의 코팅이 스트립핑되고, 상기 제 3 섬유의 제 3 섬유 광 코어는 그의 피복재가 번들형 구성의 일부를 형성하는 제 1 또는 제 2 섬유 광 코어들 중 하나 이상에 인접하여 배열되고,
상기 하나 이상의 광 검출기의 각각은 제 3 파장의 광의 광 파워를 검출하도록 구성되는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 번들형 구성은 제 1, 제 2, 및 제 3 섬유 광 코어들의 삼각형 형상인 시스템. - 제 1 항에 있어서,
제 1 및 제 2 조정 가능 다이오드 레이저들의 출력들은 시간 분할(time-division) 다중화 계획에 따라 스위칭되고, 상기 제 1 또는 제 2 파장들 중 단지 하나의 레이저 광이 주어진 시간에 하나 또는 그 초과의 피치 헤드에 의해 투사되는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 섬유의 말단부에 커플링되는 제 1 광 스위치, 및 상기 제 2 섬유의 말단부에 커플링되는 제 2 광 스위치를 더 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 광 스위치는 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들의 각각 사이에 직렬로 이들의 출력들을 스위치하도록 구성되는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 섬유들의 각각의 말단부들에 커플링되는 복수의 빔 스플리터(beam splitter)들을 더 포함하고, 상기 복수의 빔 스플리터들은 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들의 각각에 병렬로 광을 제공하도록 구성되는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 파장은 약 760 나노미터이고, 상기 제 2 파장은 약 2330 나노미터인 시스템. - 제 1 항에 있어서,
하나 또는 그 초과의 피치 헤드 플랫폼들로서, 하나 또는 그 초과의 피치 헤드 플랫폼들의 각각은 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들의 각각에 대해 각각 커플링되고, 상기 하나 또는 그 초과의 피치 헤드 플랫폼들 또는 각각의 연관된 전달 광학계 또는 피치 헤드는 2 이상의 축선 자유도를 따라 조절 가능한, 피치 헤드 플랫폼;
상기 하나 또는 그 초과의 피치 헤드 플랫폼들의 각각, 또는 각각의 연관된 전달 광학계 또는 피치 헤드에 대해 각각 커플링되는 복수의 제어 장치들로서, 상기 제어 장치들은 각각의 피치 헤드 플랫폼 각각을, 또는 각각의 연관된 전달 광학계 또는 피치 헤드를 2 이상의 축선 자유도 중 하나 이상으로 가동시키도록 작동 가능한, 제어 장치;
상기 복수의 제어 장치들과 통신하고 복수의 제어 장치들의 각각에 제어 신호를 공급하도록 구성되는 전자 제어기; 및
상기 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드들의 대응하는 캐치 헤드와의 정렬 하에서 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들의 피치 헤드를 정렬하도록 구성되는 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 정렬 하에 피치 헤드의 피치 헤드 또는 각각의 연관된 전달 광학계 또는 피치 헤드 플랫폼에 커플링된 복수의 제어 장치들의 하나 이상의 제어 장치가 정렬 하에 피치 헤드의 대응하는 캐치 헤드의 광 검출기로부터 수신된 측정들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 피치 헤드의 위치를 조절하는 것을 야기하는, 제어 시스템을 더 포함하는 시스템. - 제 9 항에 있어서,
하나 또는 그 초과의 캐치 헤드 플랫폼들로서, 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드 플랫폼들의 각각은 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드들의 각각에 대해 각각 커플링되는 수신 광학계를 갖고, 상기 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드 플랫폼들 또는 각각의 연관된 수신 광학계 또는 캐치 헤드는 2 이상의 축선 자유도를 따라 조절 가능한, 캐치 헤드 플랫폼을 더 포함하고,
상기 복수의 제어 장치들은 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드 플랫폼들의 각각, 또는 각각의 연관된 수신 광학계 또는 캐치 헤드에 대해 각각 커플링되고, 상기 제어 장치들은 2 이상의 자유도 중 하나 이상으로 각각의 캐치 헤드 플랫폼 또는 각각 연관된 광학계 또는 캐치 헤드 각각을 가동시키도록 작동 가능하고,
상기 제어 시스템은 하나 또는 그 초과의 피치 헤드들의 대응하는 피치 헤드와 하나 또는 그 초과의 캐치 헤드들의 정렬 하에 캐치 헤드를 정렬하도록 구성되고, 상기 제어 시스템은 정렬 하에 캐치 헤드의 캐치 헤드 또는 각각 연관된 수신 광학계 또는 캐치 헤드 플랫폼에 커플링되는 복수의 제어 장치들의 하나 이상의 제어 장치가 정렬 하에 대응하는 캐치 헤드의 하나 또는 그 초과의 센서들의 센서로부터 수신되는 측정들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 캐치 헤드의 위치를 조절하는 것을 야기하는 시스템. - 넓게 이격된 파장 조정 가능 다이오드 레이저 흡수 분광학을 위한 피치 헤드로서:
섬유 번들에 광학식으로 커플링되도록 구성되는 하우징으로서, 상기 섬유 번들은 적어도 제 1 및 제 2 입력 섬유들의 말단부들을 포함하고, 상기 제 1 입력 섬유는 제 1 파장의 레이저 광을 운반하는 단일 모드 섬유이고 제 2 입력 섬유는 제 2 파장의 레이저 광을 운반하는 단일 모드 섬유이고, 상기 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 단일 모드 섬유에서 높은 효율로 동시적으로 단일 횡 모드로 동시 전파될 수 없는, 하우징;
적어도 상기 제 1 및 제 2 입력 섬유들의 말단부들은 이들 각각의 코팅들이 스트립핑되고, 상기 제 1 입력 섬유의 제 1 섬유 광 코어 및 제 2 입력 섬유의 제 2 섬유 광 코어는 이들의 피복재들이 서로 인접하여 배열되어 번들형 구성을 형성하며;
측정 구역을 통하여, 상기 적어도 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터 레이저 광의 각각의 빔들을 투사하도록 구성되는 전달 광학계를 더 포함하고,
상기 하우징은 상기 각각의 빔들이 하우징으로부터 선택된 거리만큼 측정 구역에 걸쳐 위치되는 캐치 헤드에 도달하도록 배향되는 피치 헤드. - 제 11 항에 있어서,
상기 섬유 번들은 제 3 입력 섬유의 말단부를 더 포함하고, 상기 제 3 입력 섬유는 제 3 파장의 레이저 광을 운반하는 단일 모드 섬유이고, 상기 제 3 섬유의 말단부는 그의 코팅이 스트립핑되고, 상기 제 3 입력 섬유의 제 3 섬유 광 코어는 그의 피복재가 번들형 구성의 일부를 형성하는 제 1 또는 제 2 섬유 광 코어들 중 하나 이상의 피복재에 인접하여 배열되는 피치 헤드. - 제 12 항에 있어서,
상기 번들형 구성은 제 1, 제 2, 및 제 3 섬유 광 코어들의 삼각형 형상인 피치 헤드. - 제 11 항에 있어서,
상기 하우징은 피치 헤드 플랫폼에 커플링되고, 상기 피치 헤드 플랫폼은 피치 헤드에 커플링되고 피치 헤드 플랫폼, 전달 광학계 또는 피치 헤드는 2 이상의 축선 자유도를 따라 조절 가능하고, 제어 장치가 피치 헤드 플랫폼, 전달 광학계 또는 피치 헤드 중 하나 이상에 커플링되고, 상기 제어 장치는 피치 헤드 플랫폼, 전달 광학계 또는 피치 헤드를 2 이상의 축선 자유도 중 하나 이상의 자유도로 가동하도록 작동 가능하고, 제어 시스템은 피치 헤드를 대응하는 캐치 헤드와 정렬시키도록 구성되고, 상기 제어 시스템은 제어 장치가 대응하는 캐치 헤드의 광 검출기로부터 수신되는 측정들을 적어도 부분적으로 기초로 하여 피치 헤드 플랫폼, 전달 광학계 또는 피치 헤드 중 하나 이상의 위치를 조절하는 것을 야기하는 피치 헤드. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 입력 섬유들로부터의 레이저 광은 시간 분할 다중화 계획에 따라 스위칭되고, 상기 제 1 또는 제 2 파장들 중 단지 하나의 레이저 광이 주어진 시간에 투사되는 피치 헤드. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 파장은 약 760 나노미터이고, 상기 제 2 파장은 약 2330 나노미터인 피치 헤드. - 넓게 이격된 파장 조정 가능 레이저 다이오드 레이저 분광학을 위한 방법으로서,
제 1 파장의 제 1 레이저 빔을 발생하는 단계;
제 2 파장의 제 2 레이저 빔을 발생하는 단계;
제 1 단일 모드 광섬유에 상기 제 1 레이저 빔을 그리고 제 2 단일 모드 광섬유에 상기 제 2 레이저 빔을 운반하는 단계로서, 상기 제 1 및 제 2 파장들의 레이저 광은 단일 모드 섬유에서 높은 효율로 동시적으로 단일 횡 모드로 동시 전파될 수 없는, 단계;
상기 제 1 및 제 2 단일 모드 광섬유의 말단부들의 이들 각각의 코팅들을 스트립핑하는 단계;
상기 제 1 단일 모드 광섬유의 제 1 섬유 광 코어를 그의 피복재가 번들형 구성을 형성하는 제 2 단일 모드 광 섬유의 제 2 섬유 광 코어의 피복재와 인접하여 배치하는 단계;
제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 번들형 구성으로부터 섬유 번들을 형성하는 단계;
피치 헤드에 의해, 측정 구역을 통하여, 상기 섬유 번들의 제 1 및 제 2 섬유 광 코어들의 각각으로부터의, 레이저 광의 각각의 빔들을 전달하는 단계;
상기 피치 헤드로부터 선택된 거리만큼 측정 구역에 걸쳐 위치되는 캐치 헤드에서 각각의 빔을 각각 수신하는 단계;
상기 캐치 헤드에서, 상기 제 1 및 제 2 파장들의 각각의 광의 광 파워를 검출하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 파장들의 흡수 라인을 갖는 목표로 정해진 종들의 농도를 판정하는 단계를 포함하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 측정 구역의 목표로 정해진 종들의 상대 농도를 기초로 하여 하나 또는 그 초과의 연소 파라미터를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
레이저 광의 검출된 광 파워를 적어도 부분적으로 기초로 하여 상기 피치 또는 캐치 헤드의 배향을 조절하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 레이저 빔들의 출력을 시간 분할 다중화에 따라 스위칭하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 또는 제 2 파장들 중 단지 하나의 레이저 광이 주어진 시간에 전달되는 방법.
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| CN110514623B (zh) * | 2019-09-09 | 2022-03-04 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法 |
| CN110836865B (zh) * | 2019-10-31 | 2021-03-02 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 用于大规模传感阵列的吸收光谱测量控制系统 |
| US20230350021A1 (en) * | 2020-01-16 | 2023-11-02 | Lumenis Ltd | Method and system for estimating distance between a fiber end and a target |
| CN113607687A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-11-05 | 清华大学 | 一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统 |
| WO2024075226A1 (ja) * | 2022-10-05 | 2024-04-11 | 日本電信電話株式会社 | バンドル光ファイバ |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7248755B2 (en) * | 2003-03-31 | 2007-07-24 | Zolo Technologies, Inc. | Method and apparatus for the monitoring and control of combustion |
| JP2012154915A (ja) * | 2011-01-05 | 2012-08-16 | Fuji Electric Co Ltd | 多成分用レーザ式ガス分析計 |
Family Cites Families (48)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4360372A (en) | 1980-11-10 | 1982-11-23 | Northern Telecom Limited | Fiber optic element for reducing speckle noise |
| 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 |
| 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 |
| US4989979A (en) | 1989-01-17 | 1991-02-05 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Optical fiber sensors with full common-mode compensation and measurand sensitivity enhancement |
| US5042905A (en) | 1990-06-15 | 1991-08-27 | Honeywell Inc. | Electrically passive fiber optic position sensor |
| EP0591540A4 (en) | 1992-04-28 | 1996-08-07 | Furukawa Electric Co Ltd | External modulator for optical communication |
| US5798840A (en) | 1992-08-05 | 1998-08-25 | The Aerospace Corporation | Fast optical absorption tomography apparatus and method |
| WO1994011708A1 (en) | 1992-11-06 | 1994-05-26 | Martin Marietta Corporation | Interferometric optical sensor read-out system |
| US5448071A (en) | 1993-04-16 | 1995-09-05 | Bruce W. McCaul | Gas spectroscopy |
| US5396506A (en) | 1993-12-09 | 1995-03-07 | United Technologies Corporation | Coupled multiple output fiber laser |
| DE19549395A1 (de) | 1995-02-07 | 1996-10-31 | Ldt Gmbh & Co | Bilderzeugungssysteme zur Bestimmung von Sehfehlern an Probanden und für deren Therapie |
| US5621213A (en) | 1995-07-07 | 1997-04-15 | Novitron International Inc. | System and method for monitoring a stack gas |
| EP0766080A1 (en) | 1995-09-29 | 1997-04-02 | FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO | System and method for monitoring combustion and pollutants by means of laser diodes |
| US5953477A (en) * | 1995-11-20 | 1999-09-14 | Visionex, Inc. | Method and apparatus for improved fiber optic light management |
| GB2309317A (en) | 1996-01-17 | 1997-07-23 | Univ Southampton | Optical fibre device |
| WO1997034175A1 (en) * | 1996-03-13 | 1997-09-18 | Visionex, Inc. | Method and apparatus for improved fiber optic light management |
| EP0923335B1 (en) * | 1996-07-08 | 2006-08-23 | Animas Corporation | Implantable sensor and system for in vivo measurement and control of fluid constituent levels |
| US6016372A (en) | 1997-10-16 | 2000-01-18 | World Precision Instruments, Inc. | Chemical sensing techniques employing liquid-core optical fibers |
| US5960129A (en) | 1997-12-22 | 1999-09-28 | Bayer Corporation | Method and apparatus for detecting liquid and gas segment flow through a tube |
| EP0988521A1 (en) | 1998-04-14 | 2000-03-29 | Instrumentarium Corporation | Sensor assembly and method for measuring nitrogen dioxide |
| US6160255A (en) | 1998-10-05 | 2000-12-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Laser-based photoacoustic sensor and method for trace detection and differentiantion of atmospheric NO and NO2 |
| EP1137928B1 (en) | 1998-11-11 | 2005-04-06 | The University of Manchester | Chemical species distribution and mixture monitoring |
| US6455851B1 (en) | 2000-03-28 | 2002-09-24 | Air Instruments And Measurement, Inc. | Spectroscopic remote sensing exhaust emission monitoring system |
| CN1195202C (zh) | 2000-09-15 | 2005-03-30 | 饶云江 | 集成式光纤应变与温度传感器装置 |
| US6519385B1 (en) | 2000-09-27 | 2003-02-11 | The Boeing Company | Method and apparatus for controllably positioning an optical fiber to introduce a phase shift |
| US6766070B2 (en) | 2001-04-27 | 2004-07-20 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High power fiber optic modulator system and method |
| US7046362B2 (en) | 2001-12-12 | 2006-05-16 | Trustees Of Princeton University | Fiber-optic based cavity ring-down spectroscopy apparatus |
| US6852976B2 (en) * | 2002-09-26 | 2005-02-08 | Indigo Systems Corporation | Infrared detector array with improved spectral range and method for making the same |
| US7342947B1 (en) * | 2004-07-15 | 2008-03-11 | Hrl Laboratories, Llc | Dark fiber laser array coupler |
| US7190514B2 (en) * | 2004-08-12 | 2007-03-13 | Yokogawa Electric Corporation | Confocal scanning microscope |
| JP2006201294A (ja) * | 2005-01-18 | 2006-08-03 | Seikoh Giken Co Ltd | バンドルファイバおよび光増幅器 |
| JP2009516855A (ja) * | 2005-11-15 | 2009-04-23 | ゾロ テクノロジーズ，インコーポレイティド | 航空推進用途に対する内蔵型飛行センサのための全ファイバ・アーキテクチャ |
| JP2008076685A (ja) * | 2006-09-20 | 2008-04-03 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 端面近接多芯光ファイバーおよびその製造方法 |
| JP4264454B2 (ja) * | 2007-02-26 | 2009-05-20 | 三菱重工業株式会社 | レーザ計測方法及びレーザ計測システム |
| WO2008157790A2 (en) * | 2007-06-20 | 2008-12-24 | The Trustees Of Dartmouth College | Pulsed lasers in frequency domain diffuse optical tomography and spectroscopy |
| US20100119199A1 (en) * | 2007-07-30 | 2010-05-13 | Afl Telecommunications Llc | Reduced size fiber optic probe using multiple incident angles |
| CN100573105C (zh) * | 2007-07-30 | 2009-12-23 | 天津大学 | 多成分气体在线检测方法及装置 |
| US8541741B2 (en) * | 2009-11-20 | 2013-09-24 | Perkinelmer Health Sciences, Inc. | Photonic measurement instrument using fiber optics |
| GB201005704D0 (en) * | 2010-04-06 | 2010-05-19 | It Is Internat Ltd | Improvements in systems for chemical and/or biochemical reactions |
| WO2012083206A1 (en) * | 2010-12-17 | 2012-06-21 | Elizabeth Marjorie Clare Hillman | Concurrent multi-region optical imaging |
| JP2013097241A (ja) | 2011-11-02 | 2013-05-20 | Hitachi Cable Ltd | マルチコアインターフェイス |
| JP2013113664A (ja) * | 2011-11-28 | 2013-06-10 | Yokogawa Electric Corp | レーザガス分析装置 |
| KR101278285B1 (ko) * | 2011-12-12 | 2013-06-27 | 한국기초과학지원연구원 | 렌즈 일체형 광섬유쌍 프로브를 이용한 이미징 시스템 |
| CN102654455A (zh) * | 2012-04-12 | 2012-09-05 | 安徽皖仪科技股份有限公司 | 一种多组分复用测量的激光气体分析仪 |
| US20140075954A1 (en) * | 2012-09-14 | 2014-03-20 | General Electric Company | Methods And Systems For Substance Profile Measurements In Gas Turbine Exhaust |
| PL3004820T3 (pl) * | 2013-05-27 | 2017-09-29 | Gasporox Ab | Układ i sposób określania stężenia gazu w opakowaniu |
| CN103604773A (zh) | 2013-11-22 | 2014-02-26 | 长春理工大学 | 用于tdlas多种气体同时检测的激光合束器 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7248755B2 (en) * | 2003-03-31 | 2007-07-24 | Zolo Technologies, Inc. | Method and apparatus for the monitoring and control of combustion |
| JP2010044088A (ja) * | 2003-03-31 | 2010-02-25 | Zolo Technologies Inc | 燃焼の監視および制御のための方法と装置 |
| JP2012154915A (ja) * | 2011-01-05 | 2012-08-16 | Fuji Electric Co Ltd | 多成分用レーザ式ガス分析計 |
Also Published As
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