[논문]어븀:이터븀:유리 마이크로칩 레이저를 이용한 단펄스 거리측정기 설계

고해석; 이창재; 박충범; 전형하; 안필동; 박도현

doi:10.9766/kimst.2018.21.3.295

어븀:이터븀:유리 마이크로칩 레이저를 이용한 단펄스 거리측정기 설계
Design of a Single Pulse Laser Range Finder with Er:Yb:glass Microchip Lasers 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.3, 2018년, pp.295 - 305

고해석 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 이창재 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 박충범 (컨설턴트) , 전형하 (무리기술(주) 연구개발2팀) , 안필동 (무리기술(주) 연구개발2팀) , 박도현 (무리기술(주) 연구개발2팀)

Abstract ▼ AI-Helper

We present a passively Q-switched monolithic Er:Yb:glass microchip laser developed in our lab. The microchip laser can produce pulses at 1535 nm of the 'eye-safe' wavelengths with the pulse energy of 50 uJ and the pulse width of 4-6 ns. Using the laser we also designed and developed a pulsed Er:Yb:glass microchip laser rangefinder. Expressions for background and signal power, noise, and signal-to-noise ratio are reviewed. A computer simulation was used to optimize laser power, receiver aperture, and preamplifier bandwidth for the efficient system design of the laser rangefinder. Experimental results are presented to compare with the theory.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 논문은 고성능 펄스레이저 거리측정기 수신기의 설계에 대한 방법적인 접근방법을 추구한다. 이를 위하여 번스(Burns) 모델^[3]을 사용하였으며 그의 모델은 광원으로 반도체 레이저와 검출기로 실리콘 APD에 적용한데 비해, 우리는 그의 모델을 기반으로 ‘눈안전(Eye-safe)’ 어븀:이터븀:유리 마이크로칩 레이저와 인디움-갈륨-비소 APD에 적용하였다.

제안 방법

마이크로칩 레이저를 사용하여 고성능의 소형 레이저 거리측정기를 설계, 제작하였다. 거리 측정기의 설계를 위하여 이론적 분석을 통해 자체적으로 개발한 시뮬레이션 도구를 사용하였으며, 이로부터 거리측정 기의 최적화를 위한 파라메터를 유도하였다. 자체개발한 마이크로칩 레이저의 사양(P_L= 10 kW, τ_R = 2.
이 논문은 고성능 펄스레이저 거리측정기 수신기의 설계에 대한 방법적인 접근방법을 추구한다. 이를 위하여 번스(Burns) 모델^[3]을 사용하였으며 그의 모델은 광원으로 반도체 레이저와 검출기로 실리콘 APD에 적용한데 비해, 우리는 그의 모델을 기반으로 ‘눈안전(Eye-safe)’ 어븀:이터븀:유리 마이크로칩 레이저와 인디움-갈륨-비소 APD에 적용하였다. 레이저 거리측정기 분석의 결과들은 컴퓨터 시뮬레이션에 사용되었고 레이저 파워, 수신기 밴드폭, 그리고 수신광학계의 구경크기를 최적화 하는데 이용되었다.

데이터처리

번스모델을 이용해 개발한 마이크로칩 레이저의 성능을 분석하기 위해서 이론적인 결과와 실험적인 결과를 비교하였다. 실험적인 결과는 이론적으로 예측한 결과에 비해 신호대 잡음비율(SNR)이 약 10-15 db 정도 낮게 나오나 거리에 따른 신호대 잡음비율의 경향성은 대체로 근사하게 나온다.

성능/효과

본 연구를 통하여 레이저 거리측정기의 소형화 및고도화에 마이크로칩 레이저가 유효하게 사용될 수있음을 확인하였다.
5 ns)을 설계변수로 사용하였고 수광렌즈의 직경 18 mm 을 비롯한 다수의 매개변수에 대한 시뮬레이션 결과로부터 거리측정기를 설계, 제작하였다. 제작된 거리 측정기를 사용하여 최대 측정거리 1.3 km, 거리정확도 ±0.5 m의 결과를 확인하였으며 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

후속연구

이는 지향성, 공간분해능의 이점 뿐아니라 시정거리가 나쁜 상황에서 안정적인 성능의 장점을 갖는다. 본 논문에서는 마이크로칩 레이저를 사용한 소형고성능의 레이저 거리측정기의 가능성을 확인했다는 측면에서 의미가 있으며, 향후 다양한 환경에서 많은 데이터를 축적하고 이를 통해 시스템을 고도화할 예정이다.
5 m의 정확도를 갖는 것으로 확인되었다. 앞서 기술했던 오차의 원인들 가운데 측정점 오차가 가장 큰것으로 분석되었으며 이는 향후 CFD(Constant Fraction Discriminator)와 같은 기법을 적용함으로써 개선할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄스레이저 거리측정기는 무엇인가?	펄스레이저 거리측정기는 오늘날 지상, 해상, 그리고 우주표적추적과 거리측정, 공중 고도측정, 층돌방지, 지구지도 작성, 그리고 감시를 포함한 원거리탐지 응용의 다양한 분야에서 광범위하게 사용된다.
	크리스탈의 제한적 특성을 해결할 수 있는 재료는?	크리스탈은 좋은 역학적 특성과 열적특성을 갖고 있지만 상위전환(up-conversion)과정 때문에 그 기능이 제한된다. 이러한 제한은 유리에 적용되지 않는다, 왜냐하면 효율적인 상위전환 발광을 얻기 위해서 매질은 비교적 낮은 포논에너지를 가져야 하는데 유리는 그러한 특성을 갖지 않기 때문이다. 역학적 특성 및 열적특성이 크리스탈에 비해서 열세임에도 불구하고 어븀이온과 이터븀이온으로 도핑된 유리는 마이크로칩 레이저의 능동매질로서 각광을 받아왔다[6~9].
	레이저 거리측정기의 원리는?	레이저 거리측정기는 한 목표물의 거리를 결정하기 위하여 레이저빔을 사용한다. 가장 일반적인 형태의 레이저 거리측정기는 하나의 폭이 좁은 레이저 펄스빔을 한 표적을 향하여 보내고 그 레이저펄스가 그 표적에서 반사되어 원래 레이저펄스를 보낸 사람 또는 기기에 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정하는 비행시간(TOF: Time of Flight)원리에 기반을 두고 작동한다

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