JP2019105616A

JP2019105616A - レーザ超音波装置

Info

Publication number: JP2019105616A
Application number: JP2017240100A
Authority: JP
Inventors: 一男石山; Kazuo Ishiyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-06-27
Also published as: US20190187103A1; US10921290B2

Abstract

【課題】パルス幅圧縮ならびにパルス幅拡大手段により、一台のレーザ装置を用いた安価なレーザ超音波装置を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ超音波装置は、レーザ装置と、レーザ装置からのパルスレーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光に分岐する分岐部と、第一レーザ光のパルス幅を変換する第一パルス幅変換部と、第一パルス幅変換部によってパルス幅が変換された第一レーザ光を検査対象物に導く第一光学系と、第二レーザ光のパルス幅を変換する第二パルス幅変換部と、第二パルス変換部によってパルス幅が変換された第二レーザ光の伝搬時間を調整するパルス伝搬時間調整部と、パルス幅が変換され、かつ伝搬時間が調整された第二レーザ光を検査対象物に導く第二光学系と、第二レーザ光が検査対象物で反射されたときに、第一レーザ光で発生した超音波によって生じた検査対象物の表面変位の変化を検出する検出部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ超音波装置に関する。

レーザ超音波装置は、レーザによる超音波励起部とレーザによる超音波検出部から構成される。

レーザによる超音波励起は、時間的にパルス状のレーザ光（励起用レーザ）を検査対象物に照射することで行なう。レーザ光のパワー密度が小さい場合には、表面の微小領域の急加熱−急冷却過程により熱応力が発生し、発生した熱応力が材料の歪みの元となって超音波信号が発生する（熱弾性モード）。一方、レーザ光のパワー密度が大きいと検査対象物の表面層がプラズマ化し、プラズマ膨張の反作用として検査対象物に圧力が加わって振動が発生する（アブレーションモード）。

レーザによる超音波受信は、前記モードによって励起された超音波によって生じる表面変位をレーザ変位計で計測することで行われる。その方法として、マイケルソン干渉計、ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子を用いた干渉計などのレーザ干渉計をベースにしたものと、Speckle Knife Edge Detector(以下、ＳＫＥＤ)などのナイフエッジ型をベースにしたものが提案されている。この中で、ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子干渉計、ＳＫＥＤは粗表面適用可能であり、これら受信器を用いることで、実用的なレーザ超音波装置が実現可能である。

レーザ超音波法の測定には、一般的に、超音波励起用レーザ装置と受信器用レーザ装置の二台のレーザ装置が必要である。超音波励起用レーザ装置としては、高いピークパワーを有するナノ秒オーダーまたはそれ以下のパルスレーザ装置が必要である。一方、受信器用レーザ装置としては、ＣＷ（連続波）レーザ装置またはマイクロ秒オーダー以上のパルス幅を有するパルスレーザ装置が必要となる。従って、従来のレーザ超音波装置は、これら仕様の異なる二種類のレーザ装置が必要であり、そのためコストが高く、レーザ装置のメンテナンスならびに調整が煩雑である等の問題があった。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。特許文献１には、一台のレーザ装置を用いたレーザ超音波検査装置及びレーザ超音波検査方法が開示されている。すなわち、特許文献１では、励起用レーザ装置のレーザビームを２分岐し、その一方のパルス幅を拡大することで、受信器用レーザビームとして用いる点が開示されている。

特開２００３−２１５１１０号公報

特許文献１では、パルス幅を拡大する手段として光ファイバの分散のみを用いており、必要な光ファイバの長さが非常に長く、そのコストは受信器用レーザ装置一台分のコストより高いという課題がある。

本発明は、上記の課題を鑑みなされたものであり、実用的で一台のレーザ装置を用いた安価なレーザ超音波装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、レーザ超音波装置は、レーザ装置と、レーザ装置からのパルスレーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光に分岐する分岐部と、第一レーザ光のパルス幅を変換する第一パルス幅変換部と、第一パルス幅変換部によってパルス幅が変換された第一レーザ光を検査対象物に導く第一光学系と、第二レーザ光のパルス幅を変換する第二パルス幅変換部と、第二パルス変換部によってパルス幅が変換された第二レーザ光の伝搬時間を調整するパルス伝搬時間調整部と、パルス幅が変換され、かつ伝搬時間が調整された第二レーザ光を検査対象物に導く第二光学系と、第二レーザ光が検査対象物で反射されたときに、第一レーザ光で発生した超音波によって生じた検査対象物の表面変位の変化を検出する検出部とを有する。

本発明によれば、一台のレーザ装置を用いた安価なレーザ超音波装置を得ることができる。

実施例１におけるレーザ超音波装置を示す図である。実施例２におけるレーザ超音波装置を示す図である。実施例３におけるレーザ超音波装置を示す図である。実施例４におけるレーザ超音波装置を示す図である。実施例５におけるレーザ超音波装置を示す図である。実施例６におけるレーザ超音波装置を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は本実施例におけるレーザ超音波装置の構成図である。図１において、レーザ超音波装置は、パルスレーザを発生するレーザ装置１と、レーザ装置１から出射したパルスレーザ光２を第一レーザ光４と第二レーザ光１３に分岐するレーザビームスプリッタ３と、スペクトル幅拡大用光ファイバ６に第一レーザ光４を集光する集光レンズ５と、スペクトル幅拡大用光ファイバ６から出射したレーザ光を第一パルス幅変換用光ファイバ８に集光する集光レンズ７と、第一パルス幅変換用光ファイバ８から出射したレーザビームをコリメートするコリメートレンズ９と、前記コリメートされたレーザ光１０を検査対象物１２の表面に集光するための集光レンズ１１とを有する。
また、レーザビームスプリッタ３で分岐された第二レーザ光１３を波長変換用結晶１５に集光するための集光レンズ１４と、第二パルス幅変換用光ファイバ１７に集光する集光レンズ１６と、第二パルス幅変換用光ファイバ１７から出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ１８と、前記コリメートされた第二レーザ光１９の検査対象物１２まで到達する時間を調節するレーザ光遅延回路２０と第二レーザ光１９を検査対象物１２に導くためのミラー２２と、第二レーザ光２１を検査対象物１２の表面に集光するための集光レンズ２３とを有する。
さらに、検査対象物１２による第二レーザ光２１の反射光を選択的に透過させる光学フィルタ２４と、光学フィルタ２４を透過した光をナイフエッジ型検出器（ＳＫＥＤ）２６に集光する集光レンズ２５と、ナイフエッジ型検出器２６からの電気信号を増幅する電気増幅器２７と、前記増幅された電気信号を表示するデジタルオシロスコープ２８から構成される。

ＭＨｚオーダーの超音波を発生かつ受信する場合、励起用レーザと受信器用レーザのパルス幅は、それぞれ、数十ナノ秒とマイクロ秒以上が必要である。本実施例では、レーザ装置１のパルス幅を励起用と受信用で必要なパルス幅の中間のパルス幅とする。例えば数百ナノ秒とすると、第一レーザ光のパルス幅は約１／１０に圧縮、第二レーザ光のパルス幅は数倍に拡大する必要がある。具体的には、例えば、最もよく使われているＹＡＧレーザの波長１０６４ｎｍを用いる。

第一レーザ光のパルス幅を１／１０に圧縮するには、まずスペクトルを１０倍に拡大し、次に波長の分散補償をすることでパルス幅を１／１０に圧縮する方法が考えられる。ここで、分散（波長分散）とは波長により光の伝搬時間が異なる現象である。分散には正の分散と負の分散がある。正の分散は長波成分が速く、短波成分が遅く進む。負の分散はこの逆の特性を有する。この現象を用いることでパルス幅を短くしたり長くしたりできる。例えば、光パルスを構成する各波長成分が同じ速度で伝搬している場合は、正の分散でも負の分散でもパルス幅は長くなる。長波成分の方が短波成分よりも先に進んでいる場合では、正の分散ではパルス幅は長くなり、負の分散ではパルス幅が短くなる。短波成分の方が長波成分よりも先に進んでいる場合では、正の分散ではパルス幅は短くなり、負の分散ではパルス幅が長くなる。スペクトル幅拡大用部材であるスペクトル幅拡大用光ファイバ６としては、高非線形光ファイバまたはフォトニック結晶ファイバなどが望ましい。自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱などの非線形光学現象を用いることで、スペクトル幅を拡大することができる（スーパーコンティニウム現象）。また、第一パルス幅変換用光ファイバ８として、分散補償に必要な符号の波長分散を有する光ファイバが必要となる。

第二レーザ光に関しては、ＫＴＰ（KTiOPO₄）結晶などの波長変換用部材である波長変換結晶１５を用いて第二高調波を発生することで、波長を１０６４ｎｍから５３２ｎｍに短波長変換する。次に、第二パルス幅変換用光ファイバ１７を用いて、光ファイバの分散によりパルス幅を数倍に拡大する。波長を短波長に変換することで、光ファイバの分散量を１桁から２桁大きくすることが可能となり、光ファイバ長を１桁から２桁短くすることができる。たとえば、光ファイバの分散量は、１０６４ｎｍの場合は約１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、５３２ｎｍの場合は１０００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上である。マイクロ秒のパルス幅に拡大するには、数百ｋｍの光ファイバが必要である。

第二レーザ光の波長を変換することで、受信信号の雑音の原因となる第一レーザ光の検査対象による反射光を光学フィルタ２４を用いて抑制することができる。

レーザ光遅延回路２０は、第一レーザ光４によって発生した超音波が受信点に到達するタイミングと同時または少し前に、第二レーザ光１３が検査対象物１２に照射するように、多重反射させることで第二レーザ光１３の光路長を調整する。

以上のように、本実施例によれば、単一のレーザ装置からのレーザ光を２つのレーザ光に分岐し、それぞれのレーザ光を励起用と検出用となるように、パルス幅圧縮ならびにパルス幅拡大手段によりパルス幅変換し、それらを検査対象物に照射させることにより検査対象物の表面変位の変化を検出部であるナイフエッジ型検出器２６で検出する。これにより、１台のレーザ装置で構成できるので、安価で、かつレーザ装置のメンテナンスならびに調整を容易にしたレーザ超音波装置を得ることができる。

図２は本実施例におけるレーザ超音波装置の構成図である。図２において、図１と同じ構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図２において、図１と異なる点は、スペクトル幅拡大用光ファイバ２９と、第二パルス幅変換用光ファイバ１７に集光する集光レンズ３０を有する点である。

スペクトル幅拡大用部材であるスペクトル幅拡大用光ファイバ２９により第二パルスのスペクトル幅を拡大することで、次の第二パルス幅変換用光ファイバ１７でのパルス幅拡大を増大させることができる。スペクトル幅拡大用光ファイバ２９としては、高非線形光ファイバまたはフォトニック結晶ファイバが望ましい。実施例１で述べたスーパーコンティニウム現象によりスペクトル幅を１ｎｍから１００ｎｍに拡大することで、光ファイバ長を１／１００に短縮できる。具体的には、例えば、実施例１に、このスペクトル幅拡大を追加することで、光ファイバ長を数百ｋｍから数ｋｍに短縮できる。

以上のように、本実施例によれば、さらに安価なレーザ超音波装置を提供できる。

図３は本実施例におけるレーザ超音波装置の構成図である。図３において、図２と同じ構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図３において、図２と異なる点は、第一パルス幅変換用光ファイバ８および第二パルス幅変換用光ファイバ１７の代わりに、回折格子対３２、３４を用いた点である。

回折格子対の間隔を調整することで、パルス幅圧縮またはパルス幅拡大に必要な分散量を調整することができる。

なお、本実施例では、一組の回折格子対を用いているが、所望の分散量を得るため、複数の回折格子対を用いてもよいし、パルス変換用光ファイバと組合せてもよい。また、実施例１の構成に適用してもよい。

図４は本実施例におけるレーザ超音波装置の構成図である。図４において、図２と同じ構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図４において、図２と異なる点は、ミラー２２と集光レンズ２３との間にビームスプリッタ３６を有している点である。ビームスプリッタ３６は、ミラー２２からの第二レーザ光２１を透過させて集光レンズ２３を介して検査対象物１２の表面に集光させ、集光レンズ２３を介して入射された検査対象物１２による第二レーザ光２１の反射光を反射して、光学フィルタ２４に導く。

また、光学フィルタ２４を透過した光が集光レンズ２５を介してレーザ干渉変位計３７に集光する点が異なる。ここで、レーザ干渉変位計３７は、ファブリペロー干渉計、位相共役光学素子を用いたレーザ干渉計が望ましい。

なお、本実施例は、実施例２をべースに説明したが、実施例１や３の構成に適用してもよい。

本実施例は、レーザ超音波装置が欠陥を検査するレーザ超音波欠陥検査装置である場合について説明する。

図５は本実施例におけるレーザ超音波装置のブロック構成図である。図５において、図１と同じ構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。

図５において、第一パルス幅変換部３８は、レーザ装置１から出射したレーザ光がレーザビームスプリッタ３により分岐された第一レーザ光のパルス幅を変換する第一パルス幅変換部であり、図１における第一パルス幅変換用光ファイバ８、または、図３における回折格子対３２に対応する。なお、スペクトル幅拡大用光ファイバ６を有していてもよい。

また、第二パルス幅変換部３９は、レーザビームスプリッタ３により分岐された第二レーザ光のパルス幅を変換する第二パルス幅変換部であり、図１における第二パルス幅変換用光ファイバ１７、または、図３における回折格子対３４に対応する。なお、図１における波長変換用結晶１５、または、図２におけるスペクトル幅拡大用光ファイバ２９を有していてもよい。

パルス伝搬時間調整部４０は、第一レーザ光の伝搬時間を調整するパルス伝搬時間調整部であり、図１におけるレーザ光遅延回路２０に相当する。なお、図１では、レーザ光遅延回路２０は第二レーザ光の伝搬時間を調整するためのものであるが、第一レーザ光によって発生した超音波が受信点に到達するタイミングに第二レーザ光を合わせるためのものであるので、第一レーザ光と第二レーザ光の相対時間を調整すればよく、第一レーザ光の伝搬時間を調整するようにしてもよい。

走査型ミラー４２は、パルス伝搬時間調整部４０によって伝搬時間を調整された第一レーザ光を検査対象物１２に照射するために走査する走査型ミラーである。

第一レーザ光を検査対象物１２に照射させることにより検査対象物１２に励起された超音波４７を発生させ、内部に欠陥４８がある場合には欠陥４８から欠陥エコー超音波４９が発生する。

受信部４３は、欠陥エコー超音波４９によって生じる表面変位を第二レーザ光を照射することで欠陥エコー超音波４９を検出する。これは、図１における光学フィルタ２４とナイフエッジ型検出器２６に対応し、また、図４における光学フィルタ２４とレーザ干渉変位計３７に相当する。

また、受信部４３からの信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換器４４、Ａ／Ｄ変換器４４からの信号を処理して欠陥検出する信号処理ユニット４５、信号処理ユニット４５での処理結果から検出画像を生成する画像化装置４６から構成される。

このように、単一のレーザ装置からのレーザ光を２つのレーザ光に分岐し、それぞれのレーザ光を励起用と検出用となるようにパルス幅変換し、それらを検査対象物に照射させることにより検査対象物に超音波４７を発生させ、内部欠陥４８からの欠陥エコー超音波４９を検出し、その検出結果に基づいて検査対象物表面または内部の欠陥を検出する。これにより、安価でかつレーザ装置のメンテナンスならびに調整を容易にしたレーザ超音波装置を得ることができる。

本実施例は、レーザ超音波装置が検査対象物表面の特性を評価するレーザ超音波評価装置である場合について説明する。

図６は、本実施例におけるレーザ超音波装置のブロック構成図である。図６において、図５と同じ構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。

図６において、図５と異なる点は、パルス伝搬時間調整部４０によって伝搬時間を調整された第一レーザ光をミラー２２を介して移動ステージ５１に載せた検査対象物１２に照射させることにより検査対象物１２に表面超音波５０を発生させ、その表面超音波５０の伝搬速度を、受信部４３、Ａ／Ｄ変換器４４、信号処理ユニット４５、画像化装置４６で評価する点である。測定位置は移動ステージ５１を使用することで変えることができる。

これにより、本実施例では、検査対象物表面の特性を評価することができる。

１：レーザ装置、２：レーザ光、３、３６：レーザビームスプリッタ、４、１０：第一レーザ光、５：集光レンズ、６：スペクトル幅拡大用光ファイバ、７、１１、１４、１６、２３、２５、３０：集光レンズ、８：第一パルス幅変換用光ファイバ、９、１８、３１、３３、３５：コリメートレンズ、１２：検査対象物、１３、１９、２１：第二レーザ光、１５：波長変換用結晶、１７：第二パルス幅変換用光ファイバ、２０：レーザ光遅延回路、２２：ミラー、２４：光学フィルタ、２６：ナイフエッジ型光検出器、２７：電気増幅器、２８：デジタルオシロスコープ、２９：スペクトル幅拡大用光ファイバ、３２、３４：回折格子対、３７：レーザ干渉変位計、３８：第一パルス幅変換部、３９：第二パルス幅変換部、４０：パルス伝搬時間調整部、４１：制御コントローラ、４２：走査型ミラー、４３：受信部、４４：Ａ／Ｄ変換器、４５：信号処理ユニット、４６：画像化装置、４７：レーザ励起の超音波、４８：欠陥、４９：欠陥エコー超音波、５０：表面超音波、５１：移動ステージ

Claims

レーザ装置と、
該レーザ装置からのパルスレーザ光を第一レーザ光と第二レーザ光に分岐する分岐部と、
該第一レーザ光のパルス幅を変換する第一パルス幅変換部と、
該第一パルス幅変換部によってパルス幅が変換された第一レーザ光を検査対象物に導く第一光学系と、
前記第二レーザ光のパルス幅を変換する第二パルス幅変換部と、
該第二パルス幅変換部によってパルス幅が変換された第二レーザ光の伝搬時間を調整するパルス伝搬時間調整部と、
前記パルス幅が変換され、かつ伝搬時間が調整された第二レーザ光を前記検査対象物に導く第二光学系と、
前記第二レーザ光が検査対象物で反射されたときに、前記第一レーザ光で発生した超音波によって生じた検査対象物の表面変位の変化を検出する検出部とを具備していることを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項１に記載のレーザ超音波装置であって、
前記第一パルス幅変換部でパルス幅を変換する前記第一レーザ光のスペクトル幅を拡大するスペクトル幅拡大用部材をさらに有することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項１に記載のレーザ超音波装置であって、
前記第二パルス幅変換部でパルス幅を変換する前記第二レーザ光の波長を変換する波長変換用部材をさらに有することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項１に記載のレーザ超音波装置であって、
前記第二パルス幅変換部でパルス幅を変換する前記第二レーザ光のスペクトル幅を拡大するスペクトル幅拡大用部材をさらに有することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項２から４の何れか１項に記載のレーザ超音波装置であって、
前記パルス伝搬時間調整部は、前記第一レーザ光によって発生した超音波が前記検査対象物を伝搬後、前記第二レーザ光が前記検査対象物上に照射された位置に到達するタイミングと同じタイミングで該第二レーザ光を前記検査対象物に照射するように調整することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項５記載のレーザ超音波装置であって、
前記第一パルス幅変換部ならびに前記第二パルス幅変換部は、所定の長さを有する光ファイバであって、該光ファイバを介して該光ファイバの分散特性を用いて、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光を所望のパルス幅に変換することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項５記載のレーザ超音波装置であって、
前記第一パルス幅変換部ならびに前記第二パルス幅変換部は回折格子対であり、該回折格子対を介して該回折格子対の分散特性を用いて、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光を所望のパルス幅に変換することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項５記載のレーザ超音波装置であって、
前記パルス伝搬時間調整部は、前記第二レーザ光を多重反射させることにより該第二レーザ光の前記検査対象物に到達する時間を調整することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項６から８の何れか１項に記載のレーザ超音波装置であって、
前記検出部はレーザ干渉計であることを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項６から８の何れか１項に記載のレーザ超音波装置において、
前記検出部はナイフエッジ法を用いて検出することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項９または１０に記載のレーザ超音波装置であって、
前記第一レーザ光を前記検査対象物に照射させることにより該検査対象物に超音波を発生させ、一方、前記第二レーザ光を前記検査対象物に照射し、その反射光を検出し、その検出結果に基づいて前記検査対象物の表面または内部の欠陥を検出することを特徴とするレーザ超音波装置。
請求項９または１０に記載のレーザ超音波装置であって、
前記第一レーザ光を前記検査対象物に照射させることにより該検査対象物に超音波を発生させ、一方、前記第二レーザ光を前記検査対象物に照射し、その反射光を検出し、その検出結果に基づいて、超音波の伝搬速度を評価することで、前記検査対象物の表面の特性を評価することを特徴とするレーザ超音波装置。