[논문]광음향 효과를 이용한 <tex>$CO_2$</tex> 레이저 도플러 속도 측정기

최종운; 유문종

문제 정의

그림 2. 도플러 주파수 변위를 레이저 공진기의 자체 혼합효과와 광음향 효과를 이용하여 검출하기 위한 실험장치도. (실선: 레이저광 경로, 점선: 회전판 표면에서 발생된 산란광의 경로)
^[3,4] 그러나 10㎛대역에서 동작하는 검출기는 액체질소와 같은 냉매로 냉각해야하는 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 공진기 자체에서 발생하는 광음향 효과를 이용하여 차주파수를 검출하였다.
본 논문에서는 이산화탄소 레이저를 사용하여 회전체의 회전속도를 측정하기 위하여 산란광의 되먹임을 이용한 간단한 구조의 LDV를 구성하여 평가하였다. 레이저광을 운동하는 물체에 조사할 때 발생한 산란광의 일부를 레이저 공진기에 입사시켜 본래의 광주파수와 자체 혼합 하였다.

가설 설정

단일파장을 가진 평면파가 속도 υ로 움직이고 있는 물체에 입사한다고 가정한다. 여기에서 물체의 속도 υ는 광속 C 보다 훨씬 작은 값이다.

제안 방법

따라서 스위칭 주파수가 42㎑인 스위칭형 전원 공급기를 제작하여 사용하였다. 10㎃의 전류를 공급할 때 레이저광의 최대 출력은 1.2W를 얻었고, 기본적인 횡 모드와 10.59㎛ P(20) 선에서 단일 종모드로 동작함을 레이저 스펙트럼 분석기(Optical engineering: 16A)를 사용하여 확인하였다. 레이저의 전면에 설치된 부분 반사경에서 나오는 레이저 출력을 표적에 집중시키기 위해서 직경이 25㎜이고, 초점길이가 2.
변화시켰다. 같은 실험을 레이저 입사각도를 5회 바꾸어가면서 측정하였다. 원판의 속도에 따른 도플러 주파수의 변화는 그림 4와 같다.
회전원판의 속도는 광초퍼의 구동 전압을 변화시켜 조절할 수 있도록 하였다. 광초퍼에서 발생하는 펄스를 오실로스코프로 관찰하여 원판의 회전속도를 측정하였고, 본 장치를 이용하여 측정한 속도와 비교를 하였다. 원판표면은 특별한 처리 없이 공작기계를 사용하여 전체적으로 균일한 표면이 되도록 한 뒤 사용하였다.
구조의 LDV를 구성하여 평가하였다. 레이저광을 운동하는 물체에 조사할 때 발생한 산란광의 일부를 레이저 공진기에 입사시켜 본래의 광주파수와 자체 혼합 하였다. 광의 자체 혼합은 광음향 효과에 의해서 공진기 속의 미세한 압력변화가 도플러 변이 주파수로 변조되었다.
59㎛ P(20) 선에서 단일 종모드로 동작함을 레이저 스펙트럼 분석기(Optical engineering: 16A)를 사용하여 확인하였다. 레이저의 전면에 설치된 부분 반사경에서 나오는 레이저 출력을 표적에 집중시키기 위해서 직경이 25㎜이고, 초점길이가 2.5㎝인 ZnSe 재질의 볼록렌즈를 사용하여 회전원판의 표면에 초점이 맺히도록 하였다.
두 개의 다른 광주파수의 혼합은 레이저 공진기 속의 광을 차주파수로 변조시킨다. 변조된 광은 광음향 효과에 의해서 미세한 압력변화로 나타나므로 그림 2의 콘덴서 마이크 양단에 전위차로 나타나게 되고, 여기에서 직류 값을 커패시터를 사용하여 제거한 뒤 다이내믹 신호 분석기(SRS: SR785)를 사용하여 도플러 주파수의 변화를 측정하였다. 그림 3은 본 실험장치로 측정한 대표적인 도플러 신호의 예이다.
광의 자체 혼합은 광음향 효과에 의해서 공진기 속의 미세한 압력변화가 도플러 변이 주파수로 변조되었다. 변조된 주파수는 회전체의 회전속도에 비례하므로 레이저 공진기 속의 압력 변화의 주파수를 관찰함으로써 물체의 속도를 측정하였다. 또한 물체의 속도와 물체에 대한 레이저광의 입사각을 가변하면서 측정한 도플러 주파수 변이 값이 설정한 이론과 잘 일치함을 확인하였다, 레이저의 파장이 10.
본 실험에서는 상용으로 사용되는 대역폭이 약 20㎑인 저가의 콘덴서 마이크를 사용하였는데, 광음향 효과에 의한 차주파수 검출 방법으로 최고 34㎑ 까지의 차주파수를 측정할 수 있었다. 즉 사용된 콘덴서 마이크의 주파수 특성에 의해서 측정 주파수의 한계가 결정되었다.
본 연구에서는 액체질소로 냉각되는 MCT 검출기를 사용하지 않고, CO₂ 레이저의 공진기 자체에서 발생하는 광음향 효과를 이용하여 도플러 효과에 의해 주파수 변이된 신호를 검출하였다. 즉 도플러 효과에 의해서 주파수 변이된 산란광을 공진기에 되먹임 시키면 공진기 속의 레이저 광의 세기는 레이저 고유주파수와 산란광의 변이주파수 사이의차 주파수로 변조된다.
움직이는 물체에 부딪혀 산란되는 광파는 도플러 효과에 의해서 물체의 속도에 비례하는 주파수 변화를 갖는다. 주파수 변화를 해석하는 방법에는 고전적인 방법과 상대론적 방법이 있으나 본 논문에서는 고전적인 방법으로 해석하였다.^[7]
레이저 방전관에는 매질용 가스로서 CO₂ : N₂ : He을 1 : 1 : 8 비율로 혼합된 가스를 약 20 torr 압력을 유지하도록 연속적으로 공급하였다. 직류 고전압 전원 공급기를 사용하여 30㎝ 길이의 방전관 양쪽에 고전압을 가하여 방전 여기를 하였다. 방전용 전극은 고전압 방전할 때 발생하는 스퍼터링(sputtering)을 감소시키기 위해서 텅스텐 봉을 양극으로 사용하였고, 음극은 텅스텐 봉에 니켈 판을 원통형으로 만들어 부착하였다.
방전용 전극은 고전압 방전할 때 발생하는 스퍼터링(sputtering)을 감소시키기 위해서 텅스텐 봉을 양극으로 사용하였고, 음극은 텅스텐 봉에 니켈 판을 원통형으로 만들어 부착하였다. 출력광에서 선형편광을 얻고, 반사경을 방전관과 분리하기 위하여 방전관 양쪽에 ZnSe 재질의 브루스터 창(Brewster window)을 부착하였다.
회전원판의 속도 변화에 따른 도플러 주파수의 변화를 관찰하기 위하여, 원판에 대한 레이저의 입사각 θ를 임의의 각도로 고정한 상태에서 원판의 회전속도를 변화시켰다. 같은 실험을 레이저 입사각도를 5회 바꾸어가면서 측정하였다.
회전원판의 속도는 광초퍼의 구동 전압을 변화시켜 조절할 수 있도록 하였다. 광초퍼에서 발생하는 펄스를 오실로스코프로 관찰하여 원판의 회전속도를 측정하였고, 본 장치를 이용하여 측정한 속도와 비교를 하였다.

대상 데이터

수 없었다. 따라서 스위칭 주파수가 42㎑인 스위칭형 전원 공급기를 제작하여 사용하였다. 10㎃의 전류를 공급할 때 레이저광의 최대 출력은 1.
주파수 측정 장치로 구성되어 있다. 본 실험에 사용한 CO₂ 레이저는 수냉식 가스 순환형이며 실험실에서 제작한 것이다. 그림에서 실선은 레이저에서 발생되는 광로이고, 점선은 회전판의 표면에서 발생한 산란광 중에서 레이저 공진기로 재입사되는 성분을 표시한다.
산란광의 되먹임을 이용한 LDV의 구성 및 실험장치는 그림 2와 같이 레이저, 볼록렌즈, 콘덴서 마이크로폰, 회전판, 주파수 측정 장치로 구성되어 있다. 본 실험에 사용한 CO₂ 레이저는 수냉식 가스 순환형이며 실험실에서 제작한 것이다.
그림에서 실선은 레이저에서 발생되는 광로이고, 점선은 회전판의 표면에서 발생한 산란광 중에서 레이저 공진기로 재입사되는 성분을 표시한다. 전체 길이가 약 72㎝의 레이저 공진기를 구성하기 위해서 출력경은 반사율이 70%인 ZnSe 재질의 평면 반사경을 사용하였고, 전반사경 은금코팅이된 곡률이 10m인 BK7 재질의 오목거울을 사용하였다. 레이저 방전관에는 매질용 가스로서 CO₂ : N₂ : He을 1 : 1 : 8 비율로 혼합된 가스를 약 20 torr 압력을 유지하도록 연속적으로 공급하였다.
회전원판은 직경이 40㎜ 이고 폭이 10㎜인 알루미늄 원판을 광쵸퍼(SRS: SR540)에 부착하여 회전시켰다. 회전원판의 속도는 광초퍼의 구동 전압을 변화시켜 조절할 수 있도록 하였다.

데이터처리

원판의 속도에 따른 도플러 주파수의 변화는 그림 4와 같다. 원판의 마찰에 의한 회전속도의 불균일을 보안하기 위해서 각 지점의 측정 값은 신호 분석기의 평균화 기능을 사용하여 12회 평균값을 사용하였다. 그림 4에서 실선은 식 7을 사용하여 계산한 값이고, 각 점들은 측정값이다.

성능/효과

변조된 주파수는 회전체의 회전속도에 비례하므로 레이저 공진기 속의 압력 변화의 주파수를 관찰함으로써 물체의 속도를 측정하였다. 또한 물체의 속도와 물체에 대한 레이저광의 입사각을 가변하면서 측정한 도플러 주파수 변이 값이 설정한 이론과 잘 일치함을 확인하였다, 레이저의 파장이 10.59㎛일 때 설정한 이론 값과 측정 값 사이에는 최고 5%의 오차가 있었다. 본 방법을 적용하여 지금까지의 번잡한 액체질소 냉각형 MCT 검출기를 사용하지 않고, 간단한 구조로 적외선 영역에서의 차주파수 검출이 가능하였고, 최고 34㎑의 차주파수를 측정할 수 있었다.
59㎛일 때 설정한 이론 값과 측정 값 사이에는 최고 5%의 오차가 있었다. 본 방법을 적용하여 지금까지의 번잡한 액체질소 냉각형 MCT 검출기를 사용하지 않고, 간단한 구조로 적외선 영역에서의 차주파수 검출이 가능하였고, 최고 34㎑의 차주파수를 측정할 수 있었다. 앞으로 압력 변화 검출기와 신호처리 부분을 개량하면 최고 측정 가능한 차주파수를 높일 수 있을 것으로 예상된다.

후속연구

이는 산란광의 크기와 위상에 미세한 영향을 주게 되어^[12] 도플러 신호의 선폭이 확대된 것으로 추측된다. 도플러 신호 선폭의 확대는 측정 정밀도 및 분확도에 부정적 영향을 주는 반면에 물체 표면의 상태에 의해서 선폭이 변화되는 현상은 물체의 표면상태를 연구하는 용도로 적용이 가능할 것이다.
즉 사용된 콘덴서 마이크의 주파수 특성에 의해서 측정 주파수의 한계가 결정되었다. 본 방법에서 최고 측정 가능 주파수를 더 높이기 위해서는 넓은 대역폭을 가진 콘덴서 마이크 혹은 PZT로 제작된 음향센서를 사용하거나, 전원 공급기에서 발생하는 고조파, 방전의 불균일에서 발생하는 잡음, 전극에서 발생하는 잡음 등을 극복하는 방법에 관한 연구가 필요하다.
본 방법을 적용하여 지금까지의 번잡한 액체질소 냉각형 MCT 검출기를 사용하지 않고, 간단한 구조로 적외선 영역에서의 차주파수 검출이 가능하였고, 최고 34㎑의 차주파수를 측정할 수 있었다. 앞으로 압력 변화 검출기와 신호처리 부분을 개량하면 최고 측정 가능한 차주파수를 높일 수 있을 것으로 예상된다.

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