DE3700867A1

DE3700867A1 - Method of contact-free detection of ultrasonic waves in a specimen

Info

Publication number: DE3700867A1
Application number: DE19873700867
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Dr Arnold; Bernd Dipl Phys Betz; Michael Paul
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1987-01-14
Filing date: 1987-01-14
Publication date: 1988-07-28
Also published as: DE3700867C2

Abstract

In a method of detecting ultrasound at rough surfaces with the aid of optical interferometry, a phase-conjugating mirror is used to restore the original beam quality after reflection at the rough surface. For the purpose of phase conjugation, a crystal or a liquid is used for four-wave mixing, a pump beam being generated with the aid of a separate laser or by beam splitting of a single laser. It is also possible to use a crystal which shows the self-pumped phase conjugation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungs losen Erfassen von Ultraschallwellen eines Prüflings, bei dem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Gebiete der rauhen Oberfläche des Prüflings mit einem Laserlichtsignalstrahlbündel angestrahlt werden und das von der rauhen Oberfläche reflektierte Meßstrahlbündel mit Hilfe einer Interferometeranordnung demoduliert wird.The invention relates to a method for touch loose detection of ultrasonic waves of a test object, where the deflected in time with the ultrasonic wave Areas of the rough surface of the test piece with a Laser light signal beam are illuminated and that measuring beam reflected from the rough surface demodulated using an interferometer arrangement becomes.

Bei einem derartigen aus der DE-PS 30 29 776 bekannten Verfahren wird die rauhe Oberfläche sowohl als Refe renzspiegel als auch Meßspiegel benutzt, so daß die Phasendifferenzen im Lichtstrahl aufgrund der Störung der Phasenfronten durch die Rauhigkeit der Oberfläche ausgeschaltet werden. Beim bekannten Verfahren wird eine Verzögerungsleitung für einen Teil des Lichtes benötigt, was zu einer Einschränkung der Bandweite des Interferometers führt. Aus diesem Grunde lassen sich mit dem bekannten Verfahren Bandweiten von lediglich einigen MHz erzielen.In such a known from DE-PS 30 29 776 The rough surface is used both as a refe renzspiegel and measuring mirror used, so that Phase differences in the light beam due to the disturbance of the phase fronts due to the roughness of the surface turned off. In the known method a delay line for part of the light needed, which limits the bandwidth of the Interferometer leads. For this reason, with the known method bandwidths of only achieve a few MHz.

Für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise bei dem aus der DE-PS 34 12 615 bekannten Verfahren zur Korngrößenbestimmung ist es jedoch wünschenswert, ein Interferometer mit einer Bandweite von mehr als 100 MHz zur Verfügung zu haben.For a variety of applications, for example in the method known from DE-PS 34 12 615 for Grain size determination, however, is desirable Interferometer with a bandwidth of more than 100 MHz to have available.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf fen, das es gestattet, von rauhen Oberflächen eines Prüflings Reflexe zu erhalten, die einen breitbandigen interferometrischen Nachweis von Ultraschall ermög lichen. Based on this state of the art, the Er is based on the task of creating a method fen, which allows one from rough surfaces To receive specimen reflexes that have a broadband interferometric detection of ultrasound possible lichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Signalstrahlbündel nach einer ersten Reflexion von der rauhen Oberfläche des Prüflings mit Hilfe eines phasenkonjugierenden Spiegels in sich selbst laufend zum Prüfling zurückreflektiert wird und daß das nach der zweiten Reflexion an der rauhen Oberfläche des Prüflings in seiner ursprünglichen Strahlqualität wiederhergestellte Strahlbündel als Meßstrahl der Interferometeranordnung zugeführt wird.This object is achieved in that the signal beam after a first reflection of the rough surface of the test piece with the help of a phase conjugate mirror running in itself is reflected back to the examinee and that after the second reflection on the rough surface of the Test object in its original beam quality restored beam as a measuring beam of Interferometer arrangement is supplied.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Pha senkonjugation durch Vierwellenmischung beispielsweise in einem optisch nichtlinearen Kristall. Dabei wech selwirken zwei gegenläufige Pumpstrahlen, die von einem Laser erzeugt sind, mit einem schwachen Signalstrahl innerhalb des nichtlinearen Kristalls und produzieren eine vierte Welle, die komplex konjugiert zum Signal strahl ist.In the method according to the invention there is a Pha for example, conjugation by four-wave mixing in an optically nonlinear crystal. Change here interact two opposing pump jets, emitted by one Lasers are generated with a weak signal beam within the nonlinear crystal and produce a fourth wave that complex conjugates to the signal beam is.

Nach dem Auftreffen auf die rauhe Oberfläche des Prüf lings, der mit Ultraschall beaufschlagt ist, gelangt der Signalstrahl oder das Signalstrahlbündel in den Kristall und wird dort phasenkonjugiert, so daß er in sich selbst zurückläuft und nach wiederholter Reflexion am Prüfling in seiner ursprünglichen Strahlqualität wiederhergestellt ist. Dies beruht darauf, daß die Teilstrahlen des Strahlbündels alle komplex konjugiert zum ursprünglichen Signalstrahlbündel sind, d.h. daß eine Umkehr der ursprünglichen Phasenfront dieses Bündels stattfindet und nach der zweiten Reflexion an der rauhen Oberfläche dadurch wieder ein Strahlbündel mit ebenen Wellenfronten entsteht, wobei lediglich durch Beugungseffekte vorgegebene physikalische Grenzen vorhanden sind. Den rekonstruierten Strahl kann man zum interferometrischen Nachweis von Ultraschall in dem Prüfling mittels einer Fotodiode und nachgeschalteter Elektronik heranziehen. Die Strahlrekonstruktion durch optische Phasenkonjugation ist mit einer Vielzahl von Interferometertypen kombinierbar. Von besonderem Vor teil ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß die doppelte Reflexion am Prüfling eine zweifache Phasenmodulation des Meßstrahles bewirkt, die den sogenannten Modulationsindex verdoppelt und damit auch das Signal/Rauschverhältnis des im Interferometer demo dulierten Ultraschallsignals erhöht. Weiterhin erhöht sich das Lichtsammelvermögen in dem hier vorgeschlage nen Verfahren gegenüber anderen Interferometeranord nungen. Dies trägt ebenfalls zu einem verbesserten Signal/Rauschverhältnis bei.After hitting the rough surface of the test lings, which is subjected to ultrasound the signal beam or the signal beam bundle in the Crystal and is phase conjugated there so that it is in runs back and after repeated reflection on the test object in its original beam quality is restored. This is because the Partial rays of the beam bundle all complex conjugated to the original signal beam, i.e. that a reversal of the original phase front of this Bundle takes place and after the second reflection this again creates a beam of rays on the rough surface with flat wave fronts, whereby only physical limits given by diffraction effects available. The reconstructed beam can be used to interferometric detection of ultrasound in the DUT by means of a photodiode and downstream Use electronics. The beam reconstruction through optical phase conjugation is with a variety of Interferometer types can be combined. Of special importance it is part of the method according to the invention that the double reflection on the test specimen a double Phase modulation of the measuring beam causes the so-called modulation index doubled and therefore also the signal / noise ratio of the demo in the interferometer dulated ultrasound signal increased. Still increasing the light collecting ability in the proposed here method compared to other interferometer arrangements mentions. This also contributes to an improved one Signal / noise ratio at.

Die Pumpstrahlen am Phasenkonjugationskristall können beispielsweise mit Hilfe eines separaten Lasers und eines Spiegels, der den Strahl in sich zurückreflek tiert, erzeugt werden. Stattdessen ist es auch möglich, ausgehend vom Signalstrahlbündel eines einzigen Lasers durch Strahlteilung Pumpstrahlen zu erzeugen.The pump beams at the phase conjugation crystal can for example with the help of a separate laser and of a mirror that reflects the beam back into itself be generated. Instead, it is also possible starting from the signal beam of a single laser to generate pump beams by beam splitting.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem der Pumpstrahl und das Signalstrahlbündel durch einen einzigen Laser erzeugt werden und Fig. 1 shows a first embodiment of an on device for performing the method in which the pump beam and the signal beam are generated by a single laser and

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vor richtung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung. Fig. 2 shows a further embodiment of an on device for carrying out the method according to the invention in a schematic representation.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung zur Durchführung einer optischen Interferometrie zum Nachweis von Ultraschall an rauhen Oberflächen mittels optischer Phasenkonjugation ist ein CW-Laser 1 vorge sehen, der ein Signalstrahlbündel 2 liefert, das den Laser 1 in Richtung eines Pfeiles 3 verläßt und ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 4 versehenes Inter ferometer nach dem Heterodynverfahren durchquert. Das Interferometer 4 weist eine Braggzelle 5 auf, die vom Signalstrahlbündel 2 durchquert wird, das das Inter ferometer in Richtung eines Pfeiles 6 verläßt.In the device shown schematically in Fig. 1 for performing an optical interferometry for the detection of ultrasound on rough surfaces by means of optical phase conjugation, a CW laser 1 is provided which provides a signal beam 2 which leaves the laser 1 in the direction of an arrow 3 and crosses a total with the reference numeral 4 inter ferometer after the heterodyne method. The interferometer 4 has a Bragg cell 5 , which is traversed by the signal beam 2 , which leaves the inter ferometer in the direction of an arrow 6 .

Das Interferometer 4 besitzt den in Fig. 1 schematisch dargestellten Aufbau und verfügt über einen mit der Braggzelle 5 elektrisch verbundenen hochfrequenten Trägergenerator 7, einen Interferometerspiegel 8 und eine Fotodiode 9, die mit dem Eingang einer Auswerte elektronik 10 elektrisch verbunden ist.The interferometer 4 has the structure shown schematically in FIG. 1 and has a high-frequency carrier generator 7 which is electrically connected to the Bragg cell 5 , an interferometer mirror 8 and a photodiode 9 which is electrically connected to the input of an evaluation electronics 10 .

Das aus dem Interferometer in Richtung des Pfeiles 6 austretende Signalstrahlbündel weist parallel zueinan der verlaufende ebene Wellenfronten auf, die schema tisch in Fig. 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 11 versehen sind. Das Signalstrahlbündel 2 trifft an der Stelle 12 auf die rauhe Oberfläche 13 eines Prüf lings 14 auf. Bei der rauhen Oberfläche 13 handelt es sich beispielsweise um eine rauhe Aluminiumoberfläche. Der Prüfling 14 ist mit Ultraschallwellen 15 beauf schlagt, deren Amplitude und Frequenzspektrum berüh rungslos erfaßt werden soll. Die Ultraschallanregung kann dabei optisch, elektromechanisch oder akustisch erfolgen, wobei durch Bestimmen des Frequenzganges mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, die auch als berührungsloser Spektrumsanalyser angesehen werden kann, Informationen über den Prüfling gewonnen werden. The emerging from the interferometer in the direction of arrow 6 signal beam has parallel to each other running flat wave fronts, which are shown schematically in Fig. 1 and are given the reference numeral 11 . The signal beam 2 strikes the rough surface 13 of a test object 14 at point 12 . The rough surface 13 is, for example, a rough aluminum surface. The device under test 14 is struck with ultrasonic waves 15 , the amplitude and frequency spectrum of which is to be recorded without contact. The ultrasound excitation can take place optically, electromechanically or acoustically, information about the test object being obtained by determining the frequency response with the aid of the device shown in FIG. 1, which can also be viewed as a non-contact spectrum analyzer.

Infolge der rauhen Oberfläche 13 wird das an der Stelle 12 auftreffende Signalstrahlbündel 2 diffus reflek tiert, wodurch die optischen Phasenfronten verformt werden, was in Fig. 1 schematisch für Phasenfronten 16 dargestellt ist.As a result of the rough surface 13 , the signal beam bundle 2 impinging on the point 12 is diffusely reflected, as a result of which the optical phase fronts are deformed, which is shown schematically in FIG. 1 for phase fronts 16 .

In Fig. 1 erkennt man weiterhin zwei reflektierte Signalstrahlbündel 17 und 18, die infolge der diffusen Reflexion auf der rauhen Oberfläche 13 nicht parallel in Richtung der Pfeile 19, 20 verlaufen.In FIG. 1 can also be seen two reflected signal beam 17 and 18 which do not extend due to the diffuse reflection on the rough surface 13 in parallel in the direction of arrows 19, 20.

Die reflektierten Signalstrahlbündel 17, 18 beauf schlagen einen in Fig. 1 schematisch dargestellten phasenkonjugierenden Spiegel 21. Der phasenkonjugie rende Spiegel 21 besteht beispielsweise aus einem optisch nichtlinearen Kristall, der für eine Vier wellenmischung verwendbar ist. Als Kristall kann z.B. LiNbO₃ oder BaTiO₃ verwendet werden. Statt des Ein satzes eines Kristalles ist es auch möglich, optisch nichtlineare Flüssigkeiten für eine Vierwellenmischung zur Erzeugung einer Phasenkonjugation einzusetzen.The reflected signal beams 17 , 18 act on a phase-conjugating mirror 21 shown schematically in FIG. 1. The phase conjugating mirror 21 consists, for example, of an optically non-linear crystal which can be used for a four-wave mixture. LiNbO ₃ or BaTiO ₃ can be used as the crystal. Instead of using a crystal, it is also possible to use optically nonlinear liquids for a four-wave mixture to produce a phase conjugation.

Bei der Vierwellenmischung zur Erzeugung einer Phasen konjugation sind im allgemeinen vier Lichtstrahlen beteiligt. Dabei wechselwirken zwei gegenläufige Pump strahlen 22, 23 mit einem durch die reflektierten Signalstrahlbündel 17, 18 gebildeten schwachen Signal strahl innerhalb des nichtlinearen Kristalls oder der Flüssigkeit des phasenkonjugierenden Spiegels 21 und produzieren als vierte Welle rücklaufende Signalstrahl bündel 24, 25 in Richtung der Pfeile 26, 27.Four-wave mixing generally involves four light beams. Two opposing pump beams 22 , 23 interact with a weak signal beam formed by the reflected signal beam bundles 17 , 18 within the nonlinear crystal or the liquid of the phase conjugate mirror 21 and produce a returning signal beam bundle 24 , 25 in the direction of the arrows 26 , as a fourth wave. 27 .

Die Pumpstrahlen 22, 23 können bei einem Kristall, der selbstgepumpte Phasenkonjugation ermöglicht, im Kri stall selbst durch die einfallenden reflektierten Signalstrahlbündel 17, 18 gebildet werden.The pump beams 22 , 23 can be formed in a crystal, which enables self-pumped phase conjugation, in the crystal itself by the incident reflected signal beams 17 , 18 .

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Laser 1 ebenfalls zur Erzeugung der Pumpstrah len 22, 23 verwendet, indem ein Teil des Lichtes aus dem Signalstrahlbündel 2 mit Hilfe eines Strahlteilers 35 ausgekoppelt wird und über einen Spiegel 36 zum phasenkonjugierenden Spiegel 21 umgelenkt wird. Die Erzeugung des zweiten Pumpstrahles 23 erfolgt wieder mit Hilfe des Spiegels 31, der den einfallenden Strahl in sich selbst zurückreflektiert.In the embodiment shown in Fig. 1, the laser 1 is also used to generate the pump beams 22 , 23 by a part of the light from the signal beam 2 is coupled out with the aid of a beam splitter 35 and is deflected via a mirror 36 to the phase conjugate mirror 21 . The second pump beam 23 is again generated with the aid of the mirror 31 , which reflects the incident beam back into itself.

Die zurücklaufenden Signalstrahlbündel 24, 25 stellen die vierte Welle bei der Vierwellenmischung dar, die konjugiert komplex zur einfallenden ersten Welle, d.h. den reflektierten Signalstrahlbündeln 17, 18 ist.The returning signal beams 24 , 25 represent the fourth wave in the four-wave mixture, which is complex in conjugation with the incident first wave, ie the reflected signal beams 17 , 18 .

Die rücklaufenden Signalstrahlbündel 24, 25 treffen an der Stelle 12 auf die rauhe Oberfläche 13 des Prüflings 14 auf, wobei eine zweite Reflexion am Prüfling 14 erfolgt, bei der die ursprüngliche Strahlqualität wiederhergestellt wird und ein rücklaufendes Meßstrahl bündel 33 gebildet wird, das über die in Fig. 1 sche matisch dargestellten ebenen Wellenfronten 34 verfügt und in Richtung des Pfeiles 37 entgegengesetzt zum Signalstrahlbündel 2 das Interferometer 4 beaufschlagt, mit dessen Hilfe bei dem in Fig. 1 dargestellten Aus führungsbeispiel nach dem Heterodynverfahren eine Auswertung des rücklaufenden Meßstrahlbündels 33 er folgt, um mit Hilfe der Auswerteelektronik 10 möglichst breitbandig unter Ausnutzung des Lichtsammelvermögens des phasenkonjugierenden Spiegels 21 das Schwingungs verhalten des Prüflings 14 berührungslos zu erfassen. The returning signal beam bundles 24 , 25 meet at the point 12 on the rough surface 13 of the test object 14 , with a second reflection on the test object 14 , in which the original beam quality is restored and a returning measuring beam bundle 33 is formed, which is formed over the in Fig. 1 cal matically represented flat wave fronts 34 and in the direction of arrow 37 opposite to the signal beam 2 acts upon the interferometer 4 , with the help of which, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the evaluation of the returning measuring beam 33 follows the heterodyne method With the aid of the evaluation electronics 10, the vibration behavior of the test object 14 can be detected without contact using the light-collecting capacity of the phase-conjugating mirror 21 as broadly as possible.

Neben der Bandweite ist das Lichtsammelvermögen eines Interferometers von großer Bedeutung, da je mehr Licht dem Interferometer zur Demodulation zugeführt wird, umso größer das erzielbare Signal/Rauschverhältnis. Bei dem hier vorgestellten Verfahren ist das Lichtsammel vermögen nur durch die optische Anordnung begrenzt, die das von der Oberfläche 13 am Punkt 12 des Prüflings 14 diffus reflektierte Licht in den phasenkonjugierenden Spiegel 21 sammelt.In addition to the bandwidth, the light collecting capacity of an interferometer is of great importance, since the more light is fed to the interferometer for demodulation, the greater the signal / noise ratio that can be achieved. In the method presented here, the light collection is limited only by the optical arrangement, which collects the light diffusely reflected by the surface 13 at the point 12 of the test specimen 14 in the phase-conjugating mirror 21 .

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Interferometer 4 ist als solches bekannt und z.B. in J. de Physique 44, C 6-191 (1983) von H.K. Wickramasinghe et al beschrie ben. Die oben erörterte Strahlrekonstruktion durch optische Phasenkonjugation ist jedoch ein Verfahren, das auch mit anderen Interferometertypen ebenfalls kombinierbar ist.The interferometer 4 shown schematically in FIG. 1 is known as such and is described, for example, in J. de Physique 44, C 6-191 (1983) by HK Wickramasinghe et al. However, the beam reconstruction by optical phase conjugation discussed above is a method that can also be combined with other types of interferometers.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 er folgt bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Erzeugung des ersten Pumpstrahls 22 mit Hilfe eines weiteren Lasers 28, wobei der erste Pumpstrahl 22 in Richtung des Pfeiles 29 den Kristall oder die Flüssig keit des phasenkonjugierenden Spiegels 21 beaufschlagt und nach Verlassen des phasenkonjugierenden Spiegels 21 in Richtung des Pfeils 30 auf einen feststehenden Spiegel 31 fällt, der den ersten Pumpstrahl 22 als gegenläufigen zweiten Pumpstrahl 23 in Richtung des Pfeils 32 in sich zurückreflektiert.In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, it follows in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 that the first pump beam 22 is generated with the aid of a further laser 28 , the first pump beam 22 in the direction of arrow 29 being the crystal or the liquid of the phase-conjugating mirror 21 acted upon and after leaving the phase-conjugate mirror 21 in the direction of arrow 30 falls on a fixed mirror 31 , which reflects the first pump beam 22 as an opposing second pump beam 23 in the direction of arrow 32 in itself.

Auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau erfolgt eine doppelte Reflexion an der rauhen Oberfläche 13 eines Prüflings 14, wodurch eine zweifache Phasenmo dulation bewirkt wird. Der in Fig. 2 dargestellte Aufbau entspricht im wesentlichen dem aus Fig. 1 be kannten Aufbau bei dem Signalstrahlbündel 17, 18 einen phasenkonjugierenden Spiegel 21 beaufschlagen und in sich selbst zurücklaufend als rücklaufende Signal strahlbündel 24, 25 eine wiederholte Reflexion am Prüfling 14 bewirken.In the structure shown in FIG. 2, there is a double reflection on the rough surface 13 of a test specimen 14 , whereby a double phase modulation is effected. The structure shown in Fig. 2 corresponds essentially to the structure known from Fig. 1 be in the signal beam 17 , 18 act on a phase conjugate mirror 21 and in itself returning as a returning signal beam 24 , 25 cause a repeated reflection on the specimen 14 .

Claims

1. A method for the contactless detection of ultrasonic waves of a test specimen, in which the areas of the rough surface of the test specimen deflected in time with the ultrasonic wave are illuminated with a laser light signal beam and the measuring beam reflected from the rough surface is demodulated with the aid of an interferometer arrangement, characterized in that that the signal beam according to a first reflection from the rough surface of the specimen using a phase-conjugate mirror is reflected back in itself continuously to the test object and that the ten following the two reflection restored to the rough surface of the test lings in its original beam quality beam as a measuring beam the interferometer arrangement is supplied.

2. The method according to claim 1, characterized in that an optically non-linear crystal suitable for a four-wave mixture, in particular LiNbO ₃ or BaTiO ₃ , is used as the phase-conjugating mirror.

3. The method according to claim 1, characterized in that as a phase conjugate game gel an optically non-linear liquid for a four-wave mix is used.

4. The method according to claim 1, characterized in that as a phase conjugate game gel a crystal is used, the self pumped phase conjugation shows.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as Inter an interferometer according to the Heterodyne procedure with one to a highly fre quent carrier generator connected Bragg cell and one connected to an evaluation electronics its photodiode is used.