WO2013180516A1 - 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템 - Google Patents

펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템 Download PDF

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WO2013180516A1
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optical
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이호재
주기남
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한국생산기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a pulse laser generator and an optical fiber sensor system using the same, and more particularly, to a pulse laser generator capable of measuring physical quantities for a plurality of sensing points and an optical fiber sensor system using the same.
  • the method using the optical fiber grating has a disadvantage in that the analysis of response light is complicated because the wavelength shift of the light emitted from the light source must be detected.
  • the present invention was devised to improve the above requirements, and provides a pulse laser generator and an optical fiber sensor system using the same, which are easy to measure physical quantities for a plurality of points and are easy to analyze light input to the photodetector. There is a purpose.
  • an optical fiber sensor system using a pulse laser comprises: a pulse laser generator for generating and outputting pulse laser light;
  • the pulsed laser light generated by the pulse laser generator is output from the first input terminal, receives the pulsed laser beam, and splits the first output terminal and the second output terminal, and outputs the light inputted from the first output terminal and the second output terminal, respectively A main optocoupler output through the third output terminal;
  • a reference optical fiber connected to the first output terminal to reflect the light input through the main optical coupler to provide a reference optical signal and extend a predetermined length to the optical fiber;
  • a multi-point sensing optical fiber unit connected to the second output terminal and having optical fibers connected in series or in parallel to correspond to the plurality of sensing points so as to measure a physical quantity to be measured for each of the plurality of sensing points;
  • a light detector for converting an optical signal input through the third output terminal into an electrical signal;
  • a diagnostic processor configured to detect a change in a physical quantity set for the sensing points from the signal
  • the pulse laser generator comprises a pumping light source for emitting light; An amplified optical fiber amplifying the light incident from the pumping light source and to which ytterbium or erbium is added; An optical fiber resonator forming an annular resonator with an optical fiber such that the light supplied from the pumping light source is circulated through the amplified optical fiber and resonates; An optical input unit for injecting light emitted from the pumping light source into the optical fiber resonator; An output optical coupler coupled to the optical fiber resonator to output pulsed light generated by the optical fiber resonator through a main output terminal; A phase synchronous unit coupled to the optical fiber resonator to synchronize a phase; And a dispersion compensation scanning unit coupled to both ends of the optical fiber resonator to compensate the dispersion of the input light to narrowly adjust the pulse width, and to control the diagnostic processing unit to vary the resonance length of the optical fiber resonator.
  • the dispersion compensation scanning unit is arranged to reflect the light incident through one end of the optical fiber resonator in a direction different from the incident path, and is disposed to face the first mirror A second mirror disposed to reflect light incident from the first mirror in a direction different from the first mirror; A third mirror disposed to reflect light incident from the second mirror in a direction different from that of the second mirror; And a fourth mirror disposed to reflect the light incident from the third mirror to be incident on the tartan of the optical fiber resonator, and grating the uneven pattern on the surface of the first to fourth mirrors to compensate for dispersion of light. Is formed, and the separation distance in the horizontal direction of the third and fourth mirrors is variable with respect to the first and second mirrors, and the second mirror and the third mirror and the first mirror It is formed to be relatively movable in the vertical direction with respect to the fourth mirror.
  • the dispersion compensation scanning unit is coupled to one end of the optical fiber resonator and outputs the light incident through the optical fiber resonator to the adjustment output terminal, the light incident through the adjustment output terminal of the optical fiber resonator
  • An optical circulator adapted to be incident on tartan; A first mirror for reflecting light emitted through the adjustment output terminal of the optical circulator in a direction different from an incident path; and a first mirror configured to face the first mirror to reflect light incident from the first mirror; A second mirror disposed to reflect in a direction different from the first mirror; And a reference mirror disposed to reflect light incident from the second mirror to the second mirror, and gratings of the uneven pattern are formed on surfaces of the first and second mirrors to compensate for dispersion of light.
  • the reference mirror is installed to be movable so that the separation distance with the second mirror is controlled by the diagnostic processing unit.
  • the multi-point sensing optical fiber unit may be formed such that the optical fibers are bonded to each other in series and the junction portion is a sensing point.
  • the multi-point sensing optical fiber unit may be optically coupled to each other in parallel or mutually different optical fibers by multiplexers so that optical fibers having different lengths may be split from each other and receive light incident through the second output terminal. It can be constructed to selectively receive a.
  • the pulse laser generator and the optical fiber sensor system using the same, it is possible to easily measure the physical quantity of a plurality of points and analyze the light input to the photodetector in time, thereby simplifying the structure for analysis. to provide.
  • FIG. 1 is a view showing an optical fiber sensor system using a pulse laser generator according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a first embodiment of the pulsed laser generator of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a portion of varying a resonance length of the dispersion compensation scanning unit of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a view showing a second embodiment of the pulse laser generator of FIG.
  • FIG. 5 is a view showing an optical fiber sensor system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing an optical fiber sensor system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing an optical fiber sensor system using a pulse laser generator according to a first embodiment of the present invention.
  • the optical fiber sensor system 100 includes a pulse laser generator 110, a main optical coupler 150, a reference optical fiber 160, a multi-point sensing optical fiber unit 180, and a photodetector unit ( 191 and a diagnostic processing unit 195.
  • the pulse laser generator 110 generates and outputs the mode locked pulsed laser light.
  • the pulse laser generator 110 includes a pumping light source 111, an optical input unit 119, an amplified optical fiber 113, an optical fiber resonator 114, an isolator 115, an output optical coupler 117, and a phase. It has a structure having a synchronizer 118 and a distributed compensation scanning unit 120.
  • the pumping light source 111 emits pumping light to the optical fiber resonator 113.
  • a laser diode LD that emits laser light is applied.
  • the light input unit 119 inputs the light emitted from the pumping light source 111 into the optical fiber resonator 114, and an optical coupler or a wavelength division multiplexer (WDM) may be applied.
  • WDM wavelength division multiplexer
  • the isolator 115 is provided in series in the annular loop orbit of the optical fiber resonator 114, and guides the traveling direction of the light in one direction.
  • the amplified optical fiber 113 is formed of an optical fiber to which ytterbium (Yb) or erbium (Er) is added.
  • the amplified optical fiber 113 is installed in series in an annular loop orbit of the optical fiber resonator 114 and is incident through the optical input unit 119. Amplify the light.
  • the output optocoupler 117 is coupled to the optical fiber resonator 114 to output a portion of the resonant light through the main output terminal 131.
  • the optical fiber resonator 114 forms a ring-shaped resonator in a closed orbit with a single mode optical fiber such that the light supplied from the pumping light source 111 through the optical input unit 119 is resonated and circulated through the amplified optical fiber 113,
  • a dispersion compensation scanning unit 120 to be described later is connected to 114a and 114b.
  • the output optical coupler 117 is coupled to the optical fiber resonator 114 and outputs output light through the main output terminal 131.
  • the phase synchronizer 118 is coupled in the optical fiber resonator 114 to synchronize phase.
  • the phase synchronizer 118 has a structure having a plurality of phase plates for changing the polarization of incident light.
  • one half-wavelength phase plate and two quarter-wavelength phase plates may be applied to the phase plate of the phase synchronizer 118.
  • the dispersion compensation scanning unit 120 is coupled to both ends 114a and 114b of the optical fiber resonator 114 to compensate the dispersion of the input light to narrowly adjust the pulse width and to change the entire resonance length including the optical fiber resonator 114. It is supposed to be.
  • the distributed compensation scanning unit 120 will be described with reference to FIG. 3.
  • the distributed compensation scanning unit 120 includes first to fourth mirrors 121 to 124.
  • the first mirror 121 is disposed to reflect light incident through one end of the optical fiber resonator 114 to a direction different from the incident path, that is, toward the second mirror 122.
  • the second mirror 122 is disposed to face the first mirror 121 to reflect the light incident from the first mirror 121 toward the third mirror 123 which is different from the first mirror 121. It is arranged.
  • the third mirror 123 is arranged to reflect the light incident from the second mirror 122 toward the fourth mirror 124 which is in a direction different from that of the second mirror 122.
  • the fourth mirror 124 is arranged to reflect light incident from the third mirror 123 and to enter the tartan 114b of the optical fiber resonator 114.
  • the first to fourth mirrors 121 to 124 have gratings of the uneven pattern 125 formed on the surface thereof to compensate for the dispersion of the input light.
  • the first to fourth mirrors 121 to 124 function as a diffraction grating to adjust the path of light to narrow the pulse width of the scattered light.
  • the first to fourth mirrors 121 to 124 may be constructed to perform distributed compensation by applying a plurality of prisms unlike the illustrated example.
  • the dispersion compensation scanning unit 120 has a first mirror 121 and the second mirror 122 is installed in the first housing 126, the third mirror 123 and the fourth mirror 124 is a second
  • the first housing 126 is installed in the housing 127 but is movable in a horizontal direction with respect to the second housing 127.
  • the second housing 127 in which the third mirror 123 and the fourth mirror 124 are installed may be constructed to be movable relative to the first housing 126.
  • the second mirror 122 and the third mirror 123 are formed to be relatively movable relative to the first mirror 121 and the fourth mirror 124 in the vertical direction.
  • the first housing 126, the second mirror 122, and the third mirror 123 are the second housings for the first housing 126 by driving the moving driver 128 controlled by the diagnostic processor 195.
  • the separation distance in the horizontal direction with respect to 127 and the separation distance in the vertical direction of the second mirror 122 and the third mirror 123 are varied so that the variable length and the dispersion compensation of the optical path length can be simultaneously performed. have.
  • the relative movement structure of the first housing 126 relative to the second housing 127 is coupled to the first housing 126 movably through a rail (not shown) relative to the second housing 127,
  • one housing 126 can be constructed in various ways, such as a structure that can be moved back and forth by a cylinder (not shown).
  • the movement structure of the second mirror 122 in the first housing 126 and the movement structure of the third mirror 123 in the second housing 127 also include the first housing 126 and the second housing ( The second mirror 122 and the third mirror 123 in the 127 may be controlled by the movement driving unit 128 so that the second mirror 122 and the third mirror 123 may be connected to each other at the same moving distance vertically.
  • the distributed compensation scanning unit 220 has a structure having an optical circulator 225, fifth and sixth mirrors 221, 222 and a reference mirror 223, as shown in FIG. It can be formed as.
  • the optical circulator 225 is coupled to one end 114a of the optical fiber resonator 114 to output the light incident through the optical fiber resonator 114 to the adjustment output terminal 226, and incident through the adjustment output terminal 226.
  • the light can be made to enter the tartan 114b of the optical fiber resonator 114.
  • the fifth mirror 221 is arranged to reflect the light emitted through the adjustment output terminal 225 of the optical circulator 225 toward the sixth mirror 222 which is in a direction different from the incident path.
  • the sixth mirror 222 is disposed to face the fifth mirror 221 so as to reflect the light incident from the fifth mirror 221 toward the reference mirror 223 which is different from the fifth mirror 221. It is.
  • gratings of uneven patterns are formed on the surfaces of the fifth and sixth mirrors 221 and 222 to compensate for the dispersion of light.
  • the reference mirror 223 is arranged to reflect the light incident from the sixth mirror 222 back to the sixth mirror 222.
  • the reference mirror 223 is installed to be movable so that the separation distance with the sixth mirror 222 can be changed by the moving driver 128.
  • the main optocoupler 150 receives the pulse laser light generated by the pulse laser generator 110 from the first input terminal 151 connected to the main output terminal 131 of the pulse laser generator 110. And outputs by branching to the second output terminal 153, and the light inputted in reverse from the first output terminal 152 and the second output terminal 153 through the third output terminal 153.
  • the reference optical fiber 160 is connected to the first output terminal 152 to reflect the input light at the terminal to provide a reference light signal, and the optical fiber having a predetermined length is applied.
  • the multi-point sensing optical fiber unit 180 is connected to the second output terminal 153 and corresponds to the plurality of sensing points S1 to S5 so as to measure the physical quantity to be measured for the plurality of sensing points S1 to S5. Are connected in series.
  • the multi-point sensing optical fiber unit 180 is a structure having a sensing unit formed such that optical fibers are mutually bonded in series and the junction portion 182 is a sensing point for reflecting a part of incident light.
  • the separation distances between adjacent sensing points S1 to S5 are formed at equal intervals.
  • the multi-point sensing optical fiber unit 180 is coupled to each other in parallel or by a multiplexer so that optical fibers having different lengths can be branched from each other and reflected at the end of the light incident through the second output terminal 153.
  • the light may be constructed to selectively receive light.
  • the multiplexer 211 which is an optical switch, is connected to the second output terminal 153 to selectively select an output channel to which optical fibers having different lengths of mutually extend light input from the main optical coupler 150.
  • the optical fibers having the structure can be constructed in a connected structure.
  • the optical fibers connected to the output channels of the multiplexer 211 differently from each other or the optical fibers connected to the output channels of the optical splitter 213 differently from each other correspond to the sensing unit 281, and
  • the endpoint corresponds to the sensing point.
  • the length difference between the sensing optical fibers constituting the sensing unit 281 may be applied to have a difference by an integral multiple of the set unit length.
  • the photo detector 191 converts an optical signal input through the third output terminal 154 into an electrical signal.
  • the input unit 196 can set a measurement physical quantity or set a supported function.
  • the physical quantity to be measured refers to temperature, pressure, deformation, and the like.
  • the display unit 197 is controlled by the diagnostic processing unit 195 to display display information.
  • the diagnostic processor 195 detects a change in the physical quantity of the sensing points from the signal output from the photodetector 191.
  • the diagnosis processing unit 195 moves the dispersion compensation scanning unit 120 by the movement driver 128 to move the resonance length within the set range of the movement distance, while the physical quantity of the sensing points through the interference pattern input through the light detector 191. Calculate the change.
  • the diagnostic processing unit 195 may be configured to adjust the temperature or other external environmental factors from the signals input at intervals in time to correspond to the difference in optical path lengths from the sensing points S1 to S5 in the photodetector 191 of FIG. 1.
  • a change in physical quantity can be calculated using the difference in detection time of the peak signal.
  • the diagnostic processing unit 195 has a built-in look-up table (not shown) in which a change value of the physical quantity corresponding to the difference in peak detection time detected by the photodetector 191 is recorded in advance, and is set in reference to the look-up table. Can be constructed to calculate for each sensing point.
  • the optical fiber sensor system 100 may be installed such that a sensing point is positioned at a position to be measured, such as a bridge or a building structure.

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저 생성기를 이용한 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 펄스 레이저 생성기에서 생성되는 펄스 레이저 광을 제1입력단으로부터 수신받아 제1출력단과 제2출력단으로 분기시켜 출력하고, 제1출력단과 제2출력단으로부터 역으로 각각 입력되는 광을 제3출력단을 통해 출력하는 메인 광커플러와, 제1출력단과 접속된 레퍼런스 광섬유와, 제2출력단과 접속되며 복수의 센싱 포인트에 대응되게 광섬유가 직렬 또는 병렬상으로 접속된 멀티 포인트 센싱 광섬유부와, 제3출력단과 접속된 광검출부와, 광검출부에서 출력되는 신호로부터 센싱포인트들에 대한 물리량의 변화를 검출하는 진단처리부를 구비한다. 이러한 센서 시스템에 의하면, 다수의 포인트에 대한 물리량의 측정이 용이하면서도 광검출부에 입력되는 광을 시간상으로 분석할 수 있어 분석을 위한 구조가 단순해 지는 장점을 제공한다.

Description

펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템
본 발명은 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 다수의 센싱 포인트에 대해 물리량을 측정할 수 있는 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템에 관한 것이다.
최근 교량, 댐, 선박과 같은 대형 구조물 또는 건축물의 안전진단을 위하여 다양한 센서 시스템이 개발되고 있다.
이러한 센서 시스템 중 광섬유 격자를 이용하여 구조물의 변형을 측정하는 방식이 국내 공개특허 제10-2005-0099087호 등 다양하게 알려져 있다.
그런데, 이러한 광섬유 격자를 이용하는 방식은 광원으로부터 출사된 광의 파장 이동을 검출하여야 하기 때문에 응답광의 분석이 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 다수의 포인트에 대한 물리량의 측정이 용이하면서도 광검출부에 입력되는 광의 분석이 용이한 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템은 펄스 레이저 광을 생성하여 출력하는 펄스 레이저 생성기와; 상기 펄스 레이저 생성기에서 생성되어 출력되는 상기 펄스 레이저 광을 제1입력단으로부터 수신받아 제1출력단과 제2출력단으로 분기시켜 출력하고, 상기 제1출력단과 상기 제2출력단으로부터 역으로 각각 입력되는 광을 제3출력단을 통해 출력하는 메인 광커플러와; 상기 제1출력단과 접속되어 상기 메인 광커플러를 통해 입력된 광을 반사시켜 기준광신호를 제공하며 광섬유로 일정길이 연장된 레퍼런스 광섬유와; 상기 제2출력단과 접속되며 복수의 센싱 포인트에 대해 측정대상 물리량을 각각 측정할 수 있도록 상기 복수의 센싱 포인트에 대응되게 광섬유가 직렬 또는 병렬상으로 접속된 멀티 포인트 센싱 광섬유부와; 상기 제3출력단을 통해 입력되는 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱포인트들에 대해 설정된 물리량의 변화를 검출하는 진단처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 펄스 레이저 생성기는 광을 출사하는 펌핑광원과; 상기 펌핑광원으로부터 입사된 광을 증폭시키며 이터븀 또는 어븀이 첨가된 증폭 광섬유과; 상기 펌핑광원에서 공급된 광이 상기 증폭 광섬유를 통해 순환되며 공진될 수 있게 광섬유로 고리형 공진기를 형성하는 광섬유 공진기와; 상기 펌핑광원에서 출사되는 광을 상기 광섬유 공진기로 입사시키는 광입력부와; 상기 광섬유 공진기에 결합되어 상기 광섬유 공진기에서 생성된 펄스광을 메인 출력단을 통해 출력하는 출력 광커플러와; 상기 광섬유 공진기에 결합되어 위상을 동기시키는 위상동기부와; 상기 광섬유 공진기의 양단에 결합되어 입력광의 분산을 보상하여 펄스폭을 협소하게 조정하며 상기 진단처리부에 제어되어 상기 광섬유 공진기의 공진길이를 가변할 수 있도록 된 분산보상 스캐닝부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 분산보상 스캐닝부는 상기 광섬유 공진기의 일단을 통해 입사된 광을 입사경로와 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제1미러와, 상기 제1미러와 대향되게 배치되어 상기 제1미러로부터 입사된 광을 상기 제1미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제2미러와; 상기 제2미러로부터 입사된 광을 상기 제2미러와는 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제3미러와; 상기 제3미러로부터 입사된 광을 반사시켜 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사되게 배치된 제4미러;를 구비하고, 상기 제1 내지 제4미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고, 상기 제1 및 제2미러를 기준으로 상기 제3 및 제4미러의 수평방향으로 이격거리가 가변되게 형성되어 있고, 상기 제2미러와 상기 제3미러가 상기 제1미러와 상기 제4미러에 대해 수직방향으로 상대 이동가능하게 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 분산보상 스캐닝부는 상기 광섬유 공진기의 일단과 결합되어 상기 광섬유 공진기를 통해 입사된 광을 조정 출력단으로 출력하고, 상기 조정 출력단을 통해 입사된 광을 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사시킬 수 있도록 된 광써큘레이터와; 상기 광써큘레이터의 상기 조정 출력단을 통해 출사된 광을 입사된 경로와 다른 방향으로 반사시키는 제1미러와, 상기 제1미러와 대향되게 배치되어 상기 제1미러로부터 입사된 광을 상기 제1미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제2미러와; 상기 제2미러로부터 입사된 광을 상기 제2미러로 반사시키도록 배치된 기준미러;를 구비하고, 상기 제1 및 제2미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고, 상기 기준미러는 상기 진단처리부에 제어되어 상기 제2미러와의 이격거리가 가변될 수 있도록 이동가능하게 설치되어 있다.
또한, 상기 멀티 포인트 센싱 광섬유부는 광섬유가 직렬상으로 상호 접합되며 접합부분이 센싱포인트가 되게 형성될 수 있다.
또 다르게는 상기 멀티 포인트 센싱 광섬유부는 길이가 상호 다른 광섬유가 상기 제2출력단으로 통해 입사된 광을 각각 분기받아 종단에서 반사할 수 있도록 병렬상으로 상호 결합되거나 길이가 상호 다른 광섬유가 멀티플렉서에 의해 광을 선택적으로 입사받을 수 있도록 구축될 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템에 의하면, 다수의 포인트에 대한 물리량의 측정이 용이하면서도 광검출부에 입력되는 광을 시간상으로 분석할 수 있어 분석을 위한 구조가 단순해 지는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 펄스 레이저 생성기를 이용한 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 펄스레이저 생성기의 제1실시예를 나타내 보인 도면이고,
도 3은 도 2의 분산 보상 스캐닝부의 공진길이를 가변하는 부분을 확대하여 도시한 도면이고,
도 4는 도 1의 펄스레이저 생성기의 제2실시예를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 펄스 레이저 생성기 및 이를 이용한 광섬유 센서 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 펄스 레이저 생성기를 이용한 광섬유 센서 시스템을 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 센서 시스템(100)은 펄스 레이저 생성기(110)와, 메인 광커플러(150), 레퍼런스 광섬유(160) 및 멀티 포인트 센싱 광섬유부(180), 광검출부(191) 및 진단처리부(195)를 구비한다.
펄스 레이저 생성기(110)는 모드 락킹된 펄스 레이저 광을 생성하여 출력한다.
펄스 레이저 생성기(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 펌핑광원(111), 광입력부(119), 증폭광섬유(113), 광섬유 공진기(114), 아이솔레이터(115)출력광커플러(117), 위상 동기부(118) 및 분산보상 스캐닝부(120)를 갖는 구조로 되어 있다.
펌핑광원(111)은 광섬유 공진기(113)로 펌핑용 광을 출사한다.
펌핑광원(111)은 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드(LD)가 적용되었다.
광입력부(119)는 펌핑광원(111)에서 출사된 광을 광섬유 공진기(114) 내로 입력시키며 광커플러 또는 파장분할 다중화기(WDM; wavelength division multiplexer)가 적용될 수 있다.
아이솔레이터(115)는 광섬유 공진기(114)의 고리형 루프궤도 내에 직렬상으로 설치되어 있고, 광의 진행방향을 일방향으로 유도한다.
증폭 광섬유(113)는 이터븀(Yb) 또는 어븀(Er)이 첨가된 광섬유로 형성되어 있고, 광섬유 공진기(114)의 고리형 루프궤도 내에 직렬상으로 설치되어 광입력부(119)를 통해 입사된 광을 증폭시킨다.
출력 광커플러(117)는 광섬유 공진기(114)에 결합되어 공진되는 광의 일부를 메인 출력단(131)을 통해 출력한다.
광섬유 공진기(114)는 펌핑광원(111)으로부터 광입력부(119)를 통해 공급된 광이 증폭 광섬유(113)를 통해 공진되며 순환될 수 있게 단일모드 광섬유로 폐궤도상의 고리형 공진기를 형성하되 양단(114a)(114b)에 후술되는 분산 보상 스캐닝부(120)가 접속되어 있다.
출력광커플러(117)는 광섬유 공진기(114)에 결합되어 메인 출력단(131)을 통해 출력광을 출력한다.
위상 동기부(118)는 광섬유 공진기(114) 내에 결합되어 위상을 동기시킨다.
위상 동기부(118)는 입사된 광의 편광을 변화시키는 복수개의 위상판을 갖는 구조로 되어 있다. 여기서, 위상 동기부(118)의 위상판은 하나의 반파장 위상판, 두 개의 1/4파장 위상판이 적용될 수 있다.
분산보상 스캐닝부(120)는 광섬유 공진기(114)의 양단(114a)(114b)에 결합되어 입력광의 분산을 보상하여 펄스폭을 협소하게 조정하며 광섬유 공진기(114)를 포함한 전체 공진길이를 가변할 수 있도록 되어 있다.
분산보상 스캐닝부(120)를 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
분산보상 스캐닝부(120)는 제1 내지 제4미러(121 내지 124)로 되어 있다.
즉, 제1미러(121)는 광섬유 공진기(114)의 일단을 통해 입사된 광을 입사경로와 다른 방향 즉, 제2미러(122)로 향하도록 반사시키게 배치되어 있다.
제2미러(122)는 제1미러(121)와 대향되게 배치되어 제1미러(121)로부터 입사된 광을 제1미러(121)와는 다른 방향인 제3미러(123)를 향해 반사시키도록 배치되어 있다.
제3미러(123)는 제2미러(122)로부터 입사된 광을 제2미러(122)와는 다른 방향인 제4미러(124)를 향해 반사시키도록 배치되어 있다.
제4미러(124)는 제3미러(123)로부터 입사된 광을 반사시켜 광섬유 공진기(114)의 타탄(114b)으로 입사되게 배치되어 있다.
제1 내지 제4미러(121 내지 124)들은 입력된 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴(125)의 그레이팅이 형성되어 있다. 이러한 제1 내지 제4미러(121 내지 124)들은 회절격자로서 기능하여 광의 경로를 조정함으로써 분산된 광의 펄스폭이 좁게 밀집화시키는 기능을 한다.
여기서 제1미러 내지 제4미러(121 내지 124)는 도시된 예와 다르게 다수개의 프리즘을 적용하여 분산보상을 할 수 있도록 구축될 수 있음은 물론이다.
또한, 분산 보상 스캐닝부(120)는 제1미러(121)와 제2미러(122)가 제1하우징(126)에 설치되고, 제3미러(123)와 제4미러(124)는 제2하우징(127)에 설치되되 제2하우징(127)에 대해 제1하우징(126)이 수평방향으로 이동가능하게 구축되어 있다.
도시된 예와 다르게 제3미러(123)와 제4미러(124)가 설치된 제2하우징(127)이 제1하우징(126)에 대해 상대 이동가능하게 구축될 수 있음은 물론이다.
또한, 제2미러(122)와 제3미러(123)가 제1미러(121)와 제4미러(124)에 대해 수직방향으로 상대 이동가능하게 형성되어 있다.
여기서 제1하우징(126), 제2미러(122) 및 제3미러(123)는 진단처리부(195)에 제어되는 이동 구동부(128)의 구동에 의해 제1하우징(126)에 대한 제2하우징(127)에 대한 수평방향의 이격거리와, 제2미러(122) 및 제3미러(123)의 수직방향으로의 이격거리가 가변되어 광경로 길이의 가변 및 분산보상을 동시에 수행할 수 있도록 되어 있다.
여기서, 제2하우징(127)에 대해 제1하우징(126)의 상대 이동구조는 제2하우징(127)에 대해 제1하우징(126)을 레일(미도시)을 통해 이동가능하게 결합하고, 제1하우징(126)을 실린더(미도시)에 의해 진퇴될 수 있는 구조 등 다양한 방식으로 구축할 수 있음은 물론이다.
또한, 제1하우징(126) 내에서의 제2미러(122)의 이동 및 제2하우징(127) 내에서의 제3미러(123)의 이동구조도 제1하우징(126) 및 제2하우징(127) 내에서 제2미러(122) 및 제3미러(123)가 이동구동부(128)에 제어되어 수직상으로 상호 동일한 이동거리로 연동되어 이동가능하게 구축하면 된다.
한편, 도시된 예와 다르게 분산보상 스캐닝부(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 광써큘레이터(225), 제5 및 제6 미러(221)(222) 및 기준미러(223)를 갖는 구조로 형성될 수 있다.
여기서, 광써큘레이터(225)는 광섬유 공진기(114)의 일단(114a)과 결합되어 광섬유 공진기(114)를 통해 입사된 광을 조정 출력단(226)으로 출력하고, 조정 출력단(226)을 통해 입사된 광을 광섬유 공진기(114)의 타탄(114b)으로 입사시킬 수 있도록 되어 있다.
제5미러(221)는 광써큘레이터(225)의 조정 출력단(225)을 통해 출사된 광을 입사된 경로와 다른 방향인 제6미러(222)를 향해 반사시키도록 배치되어 있다.
제6미러(222)는 제5미러(221)와 대향되게 배치되어 제5미러(221)로부터 입사된 광을 제5미러(221)와는 다른 방향인 기준미러(223)를 향해 반사시키도록 배치되어 있다.
여기서, 제5 및 제6미러(221)(222)의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있다.
기준미러(223)는 제6미러(222)로부터 입사된 광을 다시 제6미러(222)로 반사시키도록 배치되어 있다.
여기서 기준미러(223)는 제6미러(222)와의 이격거리가 이동구동부(128)에 의해 가변될 수 있도록 이동가능하게 설치되어 있다.
메인 광커플러(150)는 펄스 레이저 생성기(110)에서 생성되는 펄스 레이저 광을 펄스 레이저 생성기(110)의 메인 출력단(131)과 접속된 제1입력단(151)으로부터 수신받아 제1출력단(152)과 제2출력단(153)으로 분기시켜 출력하고, 제1출력단(152)과 제2출력단(153)으로부터 역으로 각각 입력되는 광을 제3출력단(153)을 통해 출력한다.
레퍼런스 광섬유(160)는 제1출력단(152)과 접속되어 입력된 광을 종단에서 반사시켜 기준광신호를 제공하며 일정길이 연장된 광섬유가 적용되어 있다.
멀티 포인트 센싱 광섬유부(180)는 제2출력단(153)과 접속되며 복수의 센싱 포인트(S1 내지 S5)에 대해 측정대상 물리량을 측정할 수 있도록 복수의 센싱 포인트(S1 내지 S5)에 대응되게 광섬유가 직렬상으로 접속되어 있다.
멀티 포인트 센싱 광섬유부(180)는 광섬유가 직렬상으로 상호 접합되며 접합부분(182)이 입사광의 일부를 반사시키는 센싱포인트가 되게 형성된 센싱부를 갖는 구조로 되어 있다. 여기서 인접된 센싱 포인트(S1 내지 S5) 상호간의 이격거리는 등간격으로 형성된다.
도시된 예와 다르게 멀티 포인트 센싱 광섬유부(180)는 길이가 상호 다른 광섬유가 제2출력단(153)으로 통해 입사된 광을 각각 분기받아 종단에서 반사할 수 있도록 병렬상으로 상호 결합되거나 멀티플렉서에 의해 광을 선택적으로 입사받을 수 있도록 구축될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제2출력단(153)에 광스위치인 멀티플렉서(211)가 접속되어 메인 광커플러(150)로부터 입력된 광을 상호 연장길이가 다른 광섬유들이 접속된 출력채널을 선택적으로 또는 순차적으로 순환하면서 접속시키거나, 멀티플렉서(211) 대신 도 6에 도시된 바와 같이 양방향으로 광이 전송될 수 있는 광분배기(213)를 적용하고 광분배기(213)의 출력채널에 상호 다른 길이를 갖는 광섬유가 각각 접속된 구조로 구축할 수 있음은 물론이다.
여기서, 멀티플렉서(211)의 각 출력채널에 상호 길이가 다르게 접속된 광섬유들 또는 광분배기(213)의 출력채널에 상호 다른 길이가 다르게 접속된 광섬유들이 센싱부(281)에 해당하고, 각 광섬유의 종단이 센싱포인트에 해당한다.
이러한 센싱부(281)를 구성하는 센싱 광섬유 상호간의 길이 차이는 설정된 단위 길이의 정수배 만큼 차이를 갖는 것을 적용하면 된다.
광검출부(191)는 제3출력단(154)을 통해 입력되는 광신호를 전기적 신호로 변환한다.
입력부(196)는 측정 물리량을 설정하거나 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있다. 여기서 측정대상 물리량은 온도, 압력, 변형 등을 말한다.
표시부(197)는 진단 처리부(195)에 제어되어 표시정보를 표시한다.
진단처리부(195)는 광검출부(191)에서 출력되는 신호로부터 센싱포인트들에 대한 물리량의 변화를 검출한다.
진단처리부(195)는 분산보상 스캐닝부(120)를 이동시키는 이동구동부(128)에 의해 공진길이가 설정된 이동거리 범위내로 이동시키면서 광검출부(191)를 통해 입력된 간섭패턴을 통해 센싱 포인트들의 물리량 변화를 산출한다.
즉, 진단처리부(195)는 도 1의 광검출부(191)에서 각 센싱포인트(S1 내지 S5)로부터 광경로길이 차이에 대응되게 시간상으로 간격을 두고 입력되는 신호로부터 온도 또는 그 밖의 외부 환경요인에 의해 광섬유가 인장되거나 수축될 경우 피크신호의 검출시간 차이를 이용하여 물리량의 변화를 산출할 수 있다.
또한, 진단처리부(195)는 광검출부(191)로부터 검출되는 피크 검출시간의 차이에 대응되는 물리량의 변화값을 미리 실험에 의해 기록한 룩업테이블(미도시)이 내장되어 룩업테이블을 참조하여 설정된 물리량을 각 센싱 포인트들에 대해 산출하도록 구축될 수 있다.
이러한 광섬유 센서 시스템(100)은 교량 또는 건축 구조물과 같이 측정하고자 하는 위치에 센싱 포인트가 위치되게 설치하면 된다.

Claims (9)

  1. 펄스 레이저 광을 생성하여 출력하는 펄스 레이저 생성기와;
    상기 펄스 레이저 생성기에서 생성되어 출력되는 상기 펄스 레이저 광을 제1입력단으로부터 수신받아 제1출력단과 제2출력단으로 분기시켜 출력하고, 상기 제1출력단과 상기 제2출력단으로부터 역으로 각각 입력되는 광을 제3출력단을 통해 출력하는 메인 광커플러와;
    상기 제1출력단과 접속되어 상기 메인 광커플러를 통해 입력된 광을 반사시켜 기준광신호를 제공하며 광섬유로 일정길이 연장된 레퍼런스 광섬유와;
    상기 제2출력단과 접속되며 복수의 센싱 포인트에 대해 측정대상 물리량을 각각 측정할 수 있도록 상기 복수의 센싱 포인트에 대응되게 광섬유가 직렬 또는 병렬상으로 접속된 멀티 포인트 센싱 광섬유부와;
    상기 제3출력단을 통해 입력되는 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출부와;
    상기 광검출부에서 출력되는 신호로부터 상기 센싱포인트들에 대해 설정된 물리량의 변화를 검출하는 진단처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스 레이저 생성기는
    광을 출사하는 펌핑광원과;
    상기 펌핑광원으로부터 입사된 광을 증폭시키며 이터븀 또는 어븀이 첨가된 증폭 광섬유과;
    상기 펌핑광원에서 공급된 광이 상기 증폭 광섬유를 통해 순환되며 공진될 수 있게 광섬유로 고리형 공진기를 형성하는 광섬유 공진기와;
    상기 펌핑광원에서 출사되는 광을 상기 광섬유 공진기로 입사시키는 광입력부와;
    상기 광섬유 공진기에 결합되어 상기 광섬유 공진기에서 생성된 펄스광을 메인 출력단을 통해 출력하는 출력 광커플러와;
    상기 광섬유 공진기에 결합되어 위상을 동기시키는 위상동기부와;
    상기 광섬유 공진기의 양단에 결합되어 입력광의 분산을 보상하여 펄스폭을 협소하게 조정하며 상기 진단처리부에 제어되어 상기 광섬유 공진기의 공진길이를 가변할 수 있도록 된 분산보상 스캐닝부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분산보상 스캐닝부는
    상기 광섬유 공진기의 일단을 통해 입사된 광을 입사경로와 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제1미러와,
    상기 제1미러와 대향되게 배치되어 상기 제1미러로부터 입사된 광을 상기 제1미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제2미러와;
    상기 제2미러로부터 입사된 광을 상기 제2미러와는 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제3미러와;
    상기 제3미러로부터 입사된 광을 반사시켜 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사되게 배치된 제4미러;를 구비하고,
    상기 제1 내지 제4미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고,
    상기 제1 및 제2미러를 기준으로 상기 제3 및 제4미러의 수평방향으로 이격거리가 가변되게 형성되어 있고, 상기 제2미러와 상기 제3미러가 상기 제1미러와 상기 제4미러에 대해 수직방향으로 상대 이동가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분산보상 스캐닝부는
    상기 광섬유 공진기의 일단과 결합되어 상기 광섬유 공진기를 통해 입사된 광을 조정 출력단으로 출력하고, 상기 조정 출력단을 통해 입사된 광을 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사시킬 수 있도록 된 광써큘레이터와;
    상기 광써큘레이터의 상기 조정 출력단을 통해 출사된 광을 입사된 경로와 다른 방향으로 반사시키는 제5미러와,
    상기 제5미러와 대향되게 배치되어 상기 제5미러로부터 입사된 광을 상기 제5미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제6미러와;
    상기 제6미러로부터 입사된 광을 상기 제6미러로 반사시키도록 배치된 기준미러;를 구비하고,
    상기 제5 및 제6미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고,
    상기 기준미러는 상기 진단처리부에 제어되어 상기 제6미러와의 이격거리가 가변될 수 있도록 이동가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멀티 포인트 센싱 광섬유부는
    광섬유가 직렬상으로 상호 접합되며 접합부분이 센싱포인트가 되게 형성된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 멀티 포인트 센싱 광섬유부는
    길이가 상호 다른 광섬유가 상기 제2출력단으로 통해 입사된 광을 각각 분기받아 종단에서 반사할 수 있도록 병렬상으로 상호 결합되거나 길이가 상호 다른 광섬유가 멀티플렉서에 의해 광을 선택적으로 입사받을 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 광섬유 센서 시스템.
  7. 펄스 레이저광을 생성하는 펄스 레이저 생성기에 있어서,
    광을 출사하는 펌핑광원과;
    상기 펌핑광원으로부터 입사된 광을 증폭시키며 이터븀 또는 어븀이 첨가된 증폭 광섬유과;
    상기 펌핑광원에서 공급된 광이 상기 증폭 광섬유를 통해 순환되며 공진될 수 있게 광섬유로 고리형 공진기를 형성하는 광섬유 공진기와;
    상기 펌핑광원에서 출사되는 광을 상기 광섬유 공진기로 입사시키는 광입력부와;
    상기 광섬유 공진기에 결합되어 상기 광섬유 공진기에서 생성된 펄스광을 메인 출력단을 통해 출력하는 출력 광커플러와;
    상기 광섬유 공진기에 결합되어 위상을 동기시키는 위상동기부와;
    상기 광섬유 공진기의 양단에 결합되어 입력광의 분산을 보상하여 펄스폭을 협소하게 조정하며 상기 진단처리부에 제어되어 상기 광섬유 공진기의 공진길이를 가변할 수 있도록 된 분산보상 스캐닝부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분산보상 스캐닝부는
    상기 광섬유 공진기의 일단을 통해 입사된 광을 입사경로와 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제1미러와,
    상기 제1미러와 대향되게 배치되어 상기 제1미러로부터 입사된 광을 상기 제1미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제2미러와;
    상기 제2미러로부터 입사된 광을 상기 제2미러와는 다른 방향으로 반사시키도록 배치된 제3미러와;
    상기 제3미러로부터 입사된 광을 반사시켜 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사되게 배치된 제4미러;를 구비하고,
    상기 제1 내지 제4미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고,
    상기 제1 및 제2미러를 기준으로 상기 제3 및 제4미러의 수평방향으로 이격거리가 가변되게 형성되어 있고, 상기 제2미러와 상기 제3미러가 상기 제1미러와 상기 제4미러에 대해 수직방향으로 상대 이동가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 분산보상 스캐닝부는
    상기 광섬유 공진기의 일단과 결합되어 상기 광섬유 공진기를 통해 입사된 광을 조정 출력단으로 출력하고, 상기 조정 출력단을 통해 입사된 광을 상기 광섬유 공진기의 타탄으로 입사시킬 수 있도록 된 광써큘레이터와;
    상기 광써큘레이터의 상기 조정 출력단을 통해 출사된 광을 입사된 경로와 다른 방향으로 반사시키는 제5미러와,
    상기 제5미러와 대향되게 배치되어 상기 제5미러로부터 입사된 광을 상기 제5미러와는 다른 방향을 향해 반사시키도록 배치된 제6미러와;
    상기 제6미러로부터 입사된 광을 상기 제6미러로 반사시키도록 배치된 기준미러;를 구비하고,
    상기 제5 및 제6미러의 표면에는 광의 분산을 보상하도록 표면에 요철패턴의 그레이팅이 형성되어 있고,
    상기 기준미러는 상기 제6미러와의 이격거리가 가변될 수 있도록 이동가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성기.
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