[논문]고해상도 카메라 기반 파장 빔 결합 시스템의 다중 광원의 모니터링과 파장 제어 기법 연구

승지훈; 이광현; 이정환

doi:10.14372/iemek.2019.14.6.321

Abstract ▼ AI-Helper

Spectral Beam Combining (SBC) is used for a high-power fiber laser in order to overcome the power limitation of single fiber laser. In SBC, several laser bwams with different wavelengths are combined to obtain a single-aperture beam by diffraction grating. The combining efficiency is dependent on a ...

Spectral Beam Combining (SBC) is used for a high-power fiber laser in order to overcome the power limitation of single fiber laser. In SBC, several laser bwams with different wavelengths are combined to obtain a single-aperture beam by diffraction grating. The combining efficiency is dependent on a linewidth, beam quality and specific wavelength of each beam among others. In this paper, we consider the method of a wavelength monitoring and a feedback control of laser diodes used as seeds of laser beams to obtain optimum combining conditions. In order to measure the wavelengths of multi-beam, we use the high resolution camera and diffraction grating with 1,800l/mm. The experiment results show the possibility of feedback control of a current and temperature of multi-seed laser diodes to obtain optimum wavelengths for SBC.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 다중 광원 모니터링 구조 Fig. 1 Structure of Multi-wavelength Monitoring
그림 그림 2. 인가 전류와 제어 온도에 따른 출력 파장 Fitting 평면 Fig. 2 Plane of output wavelength referred to constant current and controlled thermal inputs
그림 그림 3. 카메라 영상처리 Fig. 3 Scheme of image processing
그림 그림 4. 카메라 영상 처리 과정 Fig. 4 Image Processing
그림 그림 5. Median 필터와 칼만 필터를 통과한 무게중심점 계산 결과 Fig. 5 Time trajectories of center of mass for each channel jitter vs results of kalman filtering
그림 그림 6. 다중 광원의 2차원 무게중심점 계산 결과 Fig. 6 2-D pixel position of each channel jitter vs results of kalman filtering
그림 그림 7. 다중 광원 파장 제어 구성도 Fig. 7 Structure of wavelength control method for multi-seed laser diodes
그림 그림 8. TEC 온도(0.5°C) 제어에 따른 무게 중심 값 측정 Fig. 8 Measurement of center of mass based on TEC control (0.5°C)
그림 그림 9. 입력 전류 (1mA)에 따른 무게 중심 값 측정 Fig. 9 Measurement of center of mass based on input current (1mA )
그림 그림 10. 다중 광원의 파장 제어 신호와 파장 오차 Fig. 10 Control input and wavelength error of multi-seed laser diode

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 다중 광원 5조를 모니터링 할 수있는 구조와 카메라를 통한 다중 광원의 중심점 계산, 외란의 영향으로 카메라에 맺힌 상이 흔들리는 것을 보상하기 위한 칼만 필터를 적용하였다. 또한, 다중 광원 5조에 대하여 파장에 따른 카메라 픽셀 변화를 측정함으로써 실시간 모니터링과 동시에 피드백 제어를 위한 방법을 연구하였다.
본 논문에서는 다중 광원의 파장을 실시간으로 모니터링하는 것과 동시에 피드백 제어에 관한 연구를 수행하였다. 파장 빔 결합을 위해 최적의 다중 광원의 파장 배열을 계산하였고, 광원의 열전소자와 입력 전류에 따른 파장 변위를 측정하여 분석했다.

가설 설정

모니터링 카메라의 분해능을 측정하기 위해 TEC 온도 제어 값과 인력 전류에 대한 변화를 카메라를 통해 무게 중심 값 변화를 측정한다. 여기에서 다중 광원에서 Ch3의 경우 파장 빔 결합의 중심이 되는 값으로 값의 변화는 없다는 가정을 하며, Ch3을 제외한 광원에 대한 실험을 통해 제어 가능 성을 확인했다.

제안 방법

본 논문에서는 다중 광원 5조를 모니터링 할 수있는 구조와 카메라를 통한 다중 광원의 중심점 계산, 외란의 영향으로 카메라에 맺힌 상이 흔들리는 것을 보상하기 위한 칼만 필터를 적용하였다. 또한, 다중 광원 5조에 대하여 파장에 따른 카메라 픽셀 변화를 측정함으로써 실시간 모니터링과 동시에 피드백 제어를 위한 방법을 연구하였다.
모니터링 카메라의 분해능을 측정하기 위해 TEC 온도 제어 값과 인력 전류에 대한 변화를 카메라를 통해 무게 중심 값 변화를 측정한다. 여기에서 다중 광원에서 Ch3의 경우 파장 빔 결합의 중심이 되는 값으로 값의 변화는 없다는 가정을 하며, Ch3을 제외한 광원에 대한 실험을 통해 제어 가능 성을 확인했다.
본 논문에서는 다중 광원의 파장을 실시간으로 모니터링하는 것과 동시에 피드백 제어에 관한 연구를 수행하였다. 파장 빔 결합을 위해 최적의 다중 광원의 파장 배열을 계산하였고, 광원의 열전소자와 입력 전류에 따른 파장 변위를 측정하여 분석했다.
또한 고해상도 카메라와 회절격자를 통해 다중광원의 파장 간격을 카메라 픽셀 간격으로 치환하는 방법을 사용했다. 측정된 영상에 Median 필터와 칼만 필터를 사용하여 측정 오차 및 빔 요동의 효과를 감쇠하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 광원은 Innolume 사의 DFB–1064 – PM-150이며 열전소자 (TEC : Thermoelectric cooler)가 포함되어 있다.
전치 증폭단과 주 증폭단의 이득 매질은 Yb 광섬유이며 복수 개의 펌프 레이저 다이오드와 펌프광 결합기를 통해 증폭이 이뤄진다 파장 빔 결합에 사용된 회절 격자는 Fused silica 기판을 적용하였다.

성능/효과

5ºC에 대한 카메라 측정 변화를 나타내었다. 온도 제어 값의 변화에 따른 광원의 파장 변화는 오버슈트가 발생하며 이후 정상 상태 값을 유지하는 것을 확인하였다. 측정 파장 변위는 41.
또한 고해상도 카메라와 회절격자를 통해 다중광원의 파장 간격을 카메라 픽셀 간격으로 치환하는 방법을 사용했다. 측정된 영상에 Median 필터와 칼만 필터를 사용하여 측정 오차 및 빔 요동의 효과를 감쇠하였다. 이러한 결과를 통해 파장 오차를 피드백하여 다중 광원의 열전 소자와 입력 전류를 제어 할 수 있음을 확인했다.
측정된 영상에 Median 필터와 칼만 필터를 사용하여 측정 오차 및 빔 요동의 효과를 감쇠하였다. 이러한 결과를 통해 파장 오차를 피드백하여 다중 광원의 열전 소자와 입력 전류를 제어 할 수 있음을 확인했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고출력 광섬유 레이저의 한계점?	다양한 레이저 발진 방법 중에서 광섬유 레이저는 작은 직경의 코어를 통해 발진하여 단일모드 빔 출력과 높은 빔 품질 특정 파장의 출력 및 안정성, 효율 측면에서 매우 우수한 특징을 가진다 [1]. 하지만 고출력 광섬유 레이저는 유도 라만 산란, 유도 브릴루앙 산란과 같은 비선형 광학 효과, 모드 불안정성으로 인한 빔 품질 저하 등의 문제로 인해 단일 광섬유 레이저 시스템에서 기대할 수 있는 출력에 한계가 있다 [5]. 이러한 모듈 당 출력 한계는 다중 레이저 시스템을 결합하여 극복가능하며, 그 방법으로는 자유공간에서 물리적으로 빔을 결합하는 비간섭성 빔 결합 (Incoherent Beam Combining, IBC) [6], 결맞음 빔 결합 (Coherent Beam Combining, CBC) [6, 7], 회절격자를 활용하여 다중 레이저의 파장을 맞춰 결합하는 파장 빔 결합 (Spectral Beam Combining, SBC) [8], 등이 있다.
	광섬유 레이저의 특징?	고출력 레이저는 정밀 가공, 기계, 측정, 전자 통신, 국방 등의 분야에 다양한 용도로 사용되고 있다 [1-4]. 다양한 레이저 발진 방법 중에서 광섬유 레이저는 작은 직경의 코어를 통해 발진하여 단일모드 빔 출력과 높은 빔 품질 특정 파장의 출력 및 안정성, 효율 측면에서 매우 우수한 특징을 가진다 [1]. 하지만 고출력 광섬유 레이저는 유도 라만 산란, 유도 브릴루앙 산란과 같은 비선형 광학 효과, 모드 불안정성으로 인한 빔 품질 저하 등의 문제로 인해 단일 광섬유 레이저 시스템에서 기대할 수 있는 출력에 한계가 있다 [5].
	파장 빔 결합이 선폭과 다중 광원이 특정 파장을 일정하게 유지해야 높은 빔 품질과 결합 효율을 기대할 수 있는 이유?	파장 빔 결합에 이용되는 고출력 광섬유 레이저 광원은 의도 난수 이진 수열 (Pseudorandom Binary Sequence, PRBS) [9] 또는 백색 잡음 (White Gaussian Noise, WGN)으로 변조된 수 GHz의 선폭을 갖는다. 또한, 선폭은 유도 브릴루앙 산란의 문턱 값과 비례하며, 유도 브릴루앙 산란의 문턱 값은 레이저의 출력에 밀접한 영향을 갖는다. 반대로 선폭은 결합 빔 품질과는 반비례 관계에 있어 선폭이 높을수록 회절격자를 통한 결합 빔 품질은 나빠진다. 따라서 파장 빔 결합은 선폭과 다중 광원이 특정 파장을 일정하게 유지해야 높은 빔 품질과 결합 효율을 기대할 수 있다 [10].

참고문헌 (12)

C. Jauregui, J. Limpert, A. Tunnermann, "High-power Fibre Lasers," Journal of Nature Photonics, Vol. 7, No. 11, pp. 861-867, 2013.

상세보기
S. M. Lee, "Fast Laser Triangular Measurement System using ARM and FPGA," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 8, No. 1, pp. 25-29, 2013 (in Korean).

원문보기 상세보기
G. Kim, J. Eom, J. Choi, Y. Park, "Mutual Interference on Mobile Pulsed Scanning LIDAR," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 12, No. 1, pp. 43-62, 2017 (in Korean).

원문보기 상세보기
S.H. Han, Y. Han et al., "Recognition System of Slope Condition Using Image and Laser Measuring Instrument," IEMEK J. Embed. Sys. Appl., Vol. 9, No. 4, pp. 219-227, 2014 (in Korean).

원문보기 상세보기
J.W. Dawson, M.J. Messerly, R.J. Beach, M.Y. Shverdin, E.A. Stappaerts, A.K. Sridharan, C.P.J. Barty, "Analysis of the Scalability of Diffraction Limited fiber Lasers and Amplifiers to High Average Power," Journal of Optics Express, Vol. 16, No. 17, pp. 13240-13266 2008.

상세보기
T.Y. Fan, "Laser Beam Combining for High-power, High-radiance Sources," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electron, Vol. 11, No. 3, pp. 567-577, 2005.

상세보기
I. Dajani, A. Flores, R. Holten, B. Anderson, B. Pulford, T. Ehrenreich, "Multi-kilowatt Power Scaling and Coherent Beam Combination of Narrow-linewidth Fiber Lasers," Proceedings of International Society for Optics and Photonics, pp. 9728, 2016.
T. H. Loftus, A.M. Thomas, P.R. Hoffman, M. Norsen, R. Royse, A. Liu, E.C. Honea, "Spectrally Beam-combined Fiber Lasers for High-average-power Applications," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 13, No. 3, pp. 487-497, 2007.

상세보기
A. Flores, C. Robin, A. Lanari, I. Dajani, "Pseudo-random Binary Sequence Phase Modulation for Narrow Linewidth, Kilowatt, Monolithic Fiber Amplifiers," Journal of Optics Express, Vol. 22, No. 15, pp. 17735-17744, 2014.

상세보기
R. Tao, R. Su, P. Ma, X. Wang, P. Zhou, "Suppressing Mode Instabilities by Optimizing the Fiber Coiling Methods," Journal of Laser Phys. Lett. Vol. 14, No. 2, pp. 1-7, 2017.
A. V. Harish, J. Nilsson, "Optimization of Phase Modulation Formats for Suppression of stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibers," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 24, No. 3, pp. 1-10, 2018.

상세보기
J. Lee, K.H. Lee, H. Jeong, M. Park, J.H. Seung, J.H. Lee, J. H. "2.05 kW All-fiber High-beam-quality Fiber Amplifier with Stimulated Brillouin Scattering Suppression Incorporating a Narrow-linewidth Fiber-bragg-grating-stabilized Laser Diode Seed Source," Applied Optics, Vol. 58, No. 23, pp. 6251-6256, 2019.

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 고해상도 카메라 기반 파장 빔 결합 시스템의 다중 광원의 모니터링과 파장 제어 기법 연구
Control and Monitoring of Wavelengths in Spectral Beam Combining System Based on High Resolution Camera 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (10)

표/그림 (10)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 고해상도 카메라 기반 파장 빔 결합 시스템의 다중 광원의 모니터링과 파장 제어 기법 연구 Control and Monitoring of Wavelengths in Spectral Beam Combining System Based on High Resolution Camera 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (10) 모든 표/그림 보기

표/그림 (10) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 고해상도 카메라 기반 파장 빔 결합 시스템의 다중 광원의 모니터링과 파장 제어 기법 연구
Control and Monitoring of Wavelengths in Spectral Beam Combining System Based on High Resolution Camera 원문보기

표/그림 (10)

표/그림 (10)

AI 본문요약
AI-Helper