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    Development of Digital-Image-Correlation Technique for Detecting Internal Defects in Simulated Specimens of Wind Turbine Blades

    풍력 블레이드 모의 시편의 내부 결함 검출을 위한 이미지 상관법 기술 개발

    Kyung Min Hong, Nak Gyu Park

    홍경민, 박락규

    In the performance of a wind turbine system, the blades play a vital role. However, they are susceptible to damage arising from ...

    풍력 터빈 시스템의 성능에서 블레이드는 매우 중요한 역할을 하지만 복잡하고 불규칙적인 하중에 의한 손상에 취약하며 유지보수 비용도 많이 든다. 따라서 블레이드 제조를 ...

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    In the performance of a wind turbine system, the blades play a vital role. However, they are susceptible to damage arising from complex and irregular loading (which may even cause catastrophic collapse), and they are expensive to maintain. Therefore, it is very important both to find defects after blade manufacturing is completed and to find damage after the blade is used for a certain period of time. This study provides a new perspective for the detection of internal defects in glass-fiber- and carbon-fiber-reinforced panels, which are used as the main materials in wind turbine blades. A gap or fracture between fiber-reinforced materials, which may occur during blade manufacturing or operation, is simulated by drilling a hole 5 mm in diameter in the middle layer of the laminated material. Then, a digital-image-correlation (DIC) method is used to detect internal defects in the blade. Tensile load is applied to the fabricated specimen using a tensile tester, and the generated changes are recorded and analyzed with the DIC system. In the glass-fiber-reinforced laminated specimen, internal defects were detected from a strain value of 5% until the end of the experiment, while in the case of the carbon-fiber-reinforced laminated specimen, internal defects were detected from 1% onward. It was proved using the DIC system that the defect was detected as a certain level of strain difference developed around the internal defects, according to the material properties.


    풍력 터빈 시스템의 성능에서 블레이드는 매우 중요한 역할을 하지만 복잡하고 불규칙적인 하중에 의한 손상에 취약하며 유지보수 비용도 많이 든다. 따라서 블레이드 제조를 완료한 후에 결함을 찾아내고 일정 기간 사용한 후에 블레이드 손상을 찾아내는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 풍력 터빈 블레이드의 주재료인 유리섬유와 탄소섬유 패널에서 내부 결함을 검출할 수 있는 새로운 방법을 제안하고자 한다. 블레이드 제조 또는 작동 중에 발생할 수 있는 복합재료의 섬유 파단을 모사하기 위해 적층된 재료의 중간층에 직경 5 mm의 홀을 가공한 후에, 비접촉 측정 기술인 이미지 상관법(digital image correlation, DIC)을 사용하여 내부 결함을 검출하였다. 인장시험기를 사용하여 가공된 시편에 인장 하중을 가하면서 이미지 상관법 시스템으로 변화되는 시편의 이미지를 저장하고 분석하였다. 유리섬유 복합재료 시편에서는 인장 하중 방향으로 5%의 변형률부터 내부 결함이 검출되었으며 탄소섬유의 경우에는 1%의 변형률부터 내부 결함이 검출되었다. 재료 특성에 따라 내부 결함 주변에 일정 수준의 변형률 차이가 발생함에 따라 결함이 검출됨을 이미지 상관법 시스템으로 증명하였다.

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    October 2020
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    Adiabatic Optical-fiber Tapers for Efficient Light Coupling between Silicon Waveguides and Optical Fibers

    실리콘 도파로와 광섬유 사이의 효율적인 광 결합을 위한 아디아바틱 광섬유 테이퍼

    Gyeongho Son, Jiwon Choi, Youngjae Jeong, Kyoungsik Yu

    손경호, 최지원, 정영재, 유경식

    In this study we report a wet-etching-based fabrication method for adiabatic optical-fiber tapers (OFTs), and describe their adiabaticity and HE11 mode ...

    본 논문에서는 아디아바틱(adiabatic) 광섬유 테이퍼의 습식 식각 기반 제조 방법에 대해 보고하고 1550 nm 파장에서의 아디아바틱 성질 및 테이퍼드 광섬유에서 HE ...

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    In this study we report a wet-etching-based fabrication method for adiabatic optical-fiber tapers (OFTs), and describe their adiabaticity and HE11 mode evolution at a wavelength of 1550 nm. The profile of the fabricated system satisfies the adiabaticity properties well, and the far-field pattern from the etched OFT shows that the fundamental HE11 mode is maintained without a higher-order mode coupling throughout the tapers. In addition, the measured far-field pattern agrees well with the simulated result. The proposed adiabatic OFTs can be applied to a number of photonic applications, especially fiber-chip packages. Based on the fabricated adiabatic OFT structures, the optical transmission to the inversely tapered silicon waveguide shows large spatial-dimensional tolerances for 1 dB excess loss of ~60 µm (silicon waveguide angle of 1°) and insertion loss of less than 0.4 dB (silicon waveguide angle of 4°), from the numerical simulation. The proposed adiabatic coupler shows the ultrabroadband coupling efficiency over the O- and C-bands.


    본 논문에서는 아디아바틱(adiabatic) 광섬유 테이퍼의 습식 식각 기반 제조 방법에 대해 보고하고 1550 nm 파장에서의 아디아바틱 성질 및 테이퍼드 광섬유에서 HE11 모드의 전개에 대해 설명하고자 한다. 제조한 결과물은 아디아바틱 성질을 잘 만족하며 far field 패턴 측정 결과로부터 테이퍼 전체에 걸쳐 고차 모드 커플링 없이 기본 HE11 모드가 유지되는 것을 보여준다. 측정한 far field 패턴의 경우에 시뮬레이션 결과와 잘 일치하는 것을 검증하였고, 테이퍼드 광섬유는 다수의 광자 응용에 적용할 수 있으며 특히 광섬유-칩 패기지에 적용할 수 있다. 시뮬레이션을 통해서 제작한 아디아바틱 광섬유 테이퍼를 모델링한 후 역방향 테이퍼드 실리콘 도파관 사이의 광 전송률 시뮬레이션을 살펴보았을 때, 1 dB 초과 손실(실리콘 도파관 각도 1°)이 약 ~60 µm 길이라는 여유있는 공간 치수 공차를 보이며, 0.4 dB 미만의 삽입 손실(실리콘 도파관 각도 4°)을 보인다. 또한, 본 연구자들이 제시하는 아디아바틱 커플러가 O 밴드 및 C 밴드 대역을 넘어, 초 광대역 결합 효율 가능성을 보이는 것을 확인하였다.

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    October 2020
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    High-beam-quality 2-kW-class Spectrally Combined Laser Using Narrow-linewidth Ytterbium-doped Polarization-maintaining Fiber Amplifiers

    협대역 이터븀 첨가 편광유지 광섬유 증폭기를 이용한 고품질 2 kW급 파장제어 빔 결합 레이저

    Hwanseong Jeong, Kwang Hyun Lee, Junsu Lee, Dong-Joon Kim, Jung Hwan Lee, Minsik Jo

    정환성, 이광현, 이준수, 김동준, 이정환, 조민식

    In this paper, we have experimentally demonstrated a 2-kW-class spectrally-beam-combined laser with high beam quality, using narrow-linewidth ytterbium-doped polarization-maintaining fiber amplifiers. Five ...

    본 연구에서는 편광 유지 광섬유 기반의 고출력 이터븀 첨가 광섬유 증폭기를 이용하여 고품질의 2 kW급 출력을 갖는 파장제어 빔 결합 레이저를 구현하였다 ...

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    In this paper, we have experimentally demonstrated a 2-kW-class spectrally-beam-combined laser with high beam quality, using narrow-linewidth ytterbium-doped polarization-maintaining fiber amplifiers. Five fiber amplifiers with different center wavelengths were implemented for the spectrally-beam-combined laser. The center wavelengths of the five amplifiers were 1062, 1063, 1064, 1065, and 1066 nm, respectively. A phase-modulated laser diode was used as a seed source for each amplifier. The seed sources were modulated by filtered pseudorandom-bit-sequence (PRBS) signals 5 GHz in linewidth. The polarization-maintaining large-mode-area fiber with a core size of 30 µm was used as a delivery fiber to mitigate the stimulated Brillouin scattering (SBS) effect. The laser beams from five amplifiers were spectrally combined by a multilayer dielectric diffraction grating. The maximum output power and beam quality M2 of the combined laser were measured to be 2.3 kW and 1.74, respectively.


    본 연구에서는 편광 유지 광섬유 기반의 고출력 이터븀 첨가 광섬유 증폭기를 이용하여 고품질의 2 kW급 출력을 갖는 파장제어 빔 결합 레이저를 구현하였다. 파장제어 빔 결합을 위하여 광섬유 증폭기의 발진 파장은 각각 1062 nm, 1063 nm, 1064 nm, 1065 nm, 1066 nm로서 서로 다른 값을 갖는다. 협대역 광섬유 레이저 증폭 시 발생하는 유도 브릴루앙 산란 비선형 효과를 완화하기 위해 시드 광원은 유사이진난수 신호(pseudo-random bit sequence, PRBS)를 이용하여 위상 변조된 5 GHz의 협대역 선폭을 갖도록 하였으며 전송광섬유는 30 µm 코어 크기를 가지는 대면적 편광 유지 광섬유를 이용하였다. 파장제어 빔 결합으로 얻은 레이저의 최대 출력은 2.3 kW이며 빔 품질(M2)은 1.74이었다.

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    October 2020
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    All-fiber 1.5-kW-class Single-mode Yb-doped Polarization-maintaining Fiber Laser with 10 GHz Linewidth

    전광섬유 MOPA 시스템 기반 10 GHz 선폭을 갖는 1.5 kW 단일모드 이터븀 첨가 편광유지 광섬유 레이저

    Seongmook Jeong, Kihyuck Kim, Taekyun Kim, Sunghun Lee, Hwanseok Yang, Junsu Lee, Kwang Hyun Lee, Jung Hwan Lee, Min-Sik Jo

    정성묵, 김기혁, 김태균, 이성헌, 양환석, 이준수, 이광현, 이정환, 조민식

    In this paper, we have studied the characteristics of stimulated Brillouin scattering (SBS) and mode instability (MI) in a ytterbium-doped polarization-maintaining fiber ...

    본 논문에서는 전광섬유 master oscillator power amplifier (MOPA) 구조의 이터븀(ytterbium) 첨가 편광유지 광섬유 레이저의 유도 브릴루앙 산란 및 모드 불안정 특성에 ...

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    In this paper, we have studied the characteristics of stimulated Brillouin scattering (SBS) and mode instability (MI) in a ytterbium-doped polarization-maintaining fiber laser with master oscillator power amplifier configuration. We measured the laser output power and back-reflection spectrum for a variety of ytterbium-doped fibers and seed lights, to investigate the power-scaling limits of fiber lasers. By optimizing the laser structure, we demonstrated an all-fiber high-power polarization-maintaining fiber laser with near-diffraction-limited beam quality. The output power of 1.5 kW was achieved with a linewidth of 10 GHz, generated by pseudo-random binary sequence (PRBS) phase modulation. The beam quality M2 was about 1.15 at the maximum output power. The polarization extinction ratio (PER) was greater than 17 dB.


    본 논문에서는 전광섬유 master oscillator power amplifier (MOPA) 구조의 이터븀(ytterbium) 첨가 편광유지 광섬유 레이저의 유도 브릴루앙 산란 및 모드 불안정 특성에 대해 연구하였다. 이터븀 첨가 광섬유 및 신호 광원의 종류에 따라 레이저 출력 및 역반사 스펙트럼을 측정하여 광섬유 레이저의 출력 증폭 한계를 분석하였다. 레이저 구조의 최적화를 통해 단일모드 빔 품질을 갖는 전광섬유 고출력 편광유지 광섬유 레이저를 구현하였다. Pseudo-random binary sequence (PRBS) 신호에 의해 위상변조된 10 GHz의 선폭을 갖는 신호 광원을 적용하여 1.5 kW의 출력을 얻었다. 최대 출력에서 1.15의 빔 품질을 가지며, 17 dB 이상의 편광소광률 특성을 확인하였다.

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    October 2020
  • Erratum

    Prediction Method for Moisture-release Surface Deformation of a Large Mirror in the Space Environment

    우주환경에서 대형 반사경의 습기 방출에 의한 형상 변화 예측방법

    In-Ung Song, Ho-Soon Yang, Hagyong Khim, Seong-Hui Kim, Hoi-Yoon Lee, Sug-Whan Kim

    송인웅, 양호순, 김학용, 김성희, 이회윤, 김석환

    October 2020