KR20100118633A

KR20100118633A - 고반복 극초단 레이저 초음파 장치

Info

Publication number: KR20100118633A
Application number: KR1020090037406A
Authority: KR
Inventors: 백성훈; 박승규; 차형기
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2010-11-08
Also published as: KR101091566B1

Abstract

본 발명은 레이저 유도 초음파를 이용하여 물체의 결함이나 두께를 측정하는 장치에 관한 것으로, 펄스 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 초음파를 유도하는 초음파 유도 모듈(200), 측정용 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 유도된 초음파 신호 정보를 검출하는 초음파 신호 검출 모듈(300), 및 상기 초음파 신호 정보로부터 상기 측정 대상체(10)의 특성의 정보를 측정하는 초음파 신호 처리 모듈(400)을 구비하고, 상기 펄스 레이저 빔은 고반복 극초단 펄스 레이저 빔인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고반복 극초단 펄스 레이저 빔을 사용하므로, 얇은 박막이나 극미세 결함을 측정할 수 있고, 또한 펄스 에너지가 종래의 레이저 초음파에 비해 수천 내지 수만분의 1이므로 측정 대상체에 흠집을 기록하지 않는다.

펄스 레이저 빔, 펄스 폭 조절 장치, 프리즘

Description

고반복 극초단 레이저 초음파 장치{LASER ULTRASONIC APPARATUS USING ULTRA FAST LASER WITH HIGH REPETITION RATE}

본 발명은 레이저 유도 초음파를 이용하여 물체의 결함 또는 두께를 측정하는 장치에 관한 것이다.

레이저 초음파 장치는 강한 펄스 레이저 빔을 물체의 표면에 조사하여 초음파 신호를 발생시키고, 이 초음파 신호가 물체에서 전파 또는 반사된 것을 레이저 간섭계를 이용하여 측정함으로써 물체의 결함이나 두께 등의 특성을 측정하는 장치이다. 레이저 초음파 장치는 기존의 접촉식 탐촉자를 사용하는 초음파 검사 장치에 비해 비접촉식으로 초음파를 발생하고 검지한다는 장점 뿐 아니라, 물체를 광대역 신호를 발생하여 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근 많이 연구되고 있다.

보통 레이저 초음파 장치에서는 펄스 에너지가 수십 mJ이고 반복률이 수 Hz 내지 수십 kHz의 큐스위치(Q-switched) 펄스 레이저를 사용하는데, 이 경우 발생되는 초음파 신호의 주파수는 수 MHz 정도로 상용의 압전 소자를 사용하여 초음파 검사를 하는 때와 비슷한 주파수와 파장을 갖는 초음파 신호를 사용하게 된다.

이러한 기존의 레이저 초음파 장치의 문제점은 레이저의 출력 때문에 측정 대상체에 손상을 입히게 된다는 것이다. 즉, 레이저 에너지가 측정 대상체에 흡수되어 열변형이나 표면 흠집을 유발할 수 있다. 측정 대상체 표면의 손상은 큰 물체인 경우에는 문제가 되지 않을 수 있으나, 얇은 박막이나 층 같은 경우에는 큰 문제가 된다.

또한, 초음파의 파장이 0.1~수 mm 정도로 비교적 커서, 아주 작은 결함이나 박막의 결함은 측정할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 고안된 것으로, 측정 대상체에 흠집을 기록하지 않으면서, 극미세 결함이나 박막의 결함을 측정할 수 있는 레이저 초음파 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 펄스 레이저 빔을 측정 대상체에 조사하여 초음파를 유도하는 초음파 유도 모듈, 측정용 레이저 빔을 측정 대상체에 조사하여 유도된 초음파 신호 정보를 검출하는 초음파 신호 검출 모듈, 및 상기 초음파 신호 정보로부터 상기 측정 대상체의 결함 등의 특성의 정보를 측정하는 초음파 신호 처리 모듈을 구비하고, 상기 펄스 레이저 빔은 고반복 극초단 펄스 레이저 빔인 것인 레이저 초음파 장치를 제공한다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 상기 펄스 레이저 빔은 펄스 반복률이 수백 kHz 내지 수십 MHz이고, 펄스 폭이 수십 내지 수백 fs이며, 펄스당 에너지가 수십 nJ 내지 수 μJ이다.

본 발명의 제3 특징에 따르면, 상기 초음파 유도 모듈은, 상기 펄스 레이저 빔을 발생시키는 초음파 여기용 펄스 레이저 장치와, 상기 펄스 레이저 빔 중 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔 보다 앞서가도록 경로차를 발생시키는 펄스 폭 조절 장치를 구비한다.

본 발명의 제4 특징에 따르면, 상기 펄스 폭 조절 장치는 상기 경로차를 발 생시키는 한 쌍의 프리즘과, 빔의 진행 방향을 전환하는 거울을 구비한다.

본 발명의 제5 특징에 따르면, 상기 펄스 폭 조절 장치에 입사하는 펄스 레이저 빔은, 제1 프리즘과 제2 프리즘을 통과한 후, 역으로 제2 프리즘과 제1 프리즘을 통과하여, 상기 경로차가 발생된다.

본 발명의 제6 특징에 따르면, 상기 펄스 폭 조절 장치에 의해 경로차가 발생된 펄스 레이저 빔이 전파 경로 중의 복수의 렌즈를 통과하면서 상기 경로차가 좁아져서 펄스 폭이 짧은 빔이 상기 측정 대상체에 입사한다.

본 발명의 제7 특징에 따르면, 상기 전파 경로의 거리와 상기 복수의 렌즈의 두께에 따라 상기 프리즘에 입사하는 레이저 빔의 위치와 두 프리즘 사이의 간격을 조절하여, 상기 측정 대상체에 입사하는 레이저 빔의 펄스 폭을 짧게 한다.

본 발명의 제8 특징에 따르면, 상기 초음파 신호 처리 모듈은 고속으로 반복되는 상기 초음파 신호 정보를 적분하여 평균값을 구함으로써 신호 대 잡음비가 높은 신호를 획득한다.

본 발명에 따르면, 펄스 반복률이 수백 kHz 내지 수십 MHz 이고, 펄스 폭이 수십 내지 수백 fs 인 고반복 극초단 레이저를 측정 대상체에 입사시키므로, 수백 MHz 이상의 고주파수 대역을 갖는 초음파를 발생시켜, 얇은 박막이나 극미세 결함을 측정할 수 있고, 또한 펄스 에너지가 종래의 레이저 초음파에 비해 수천 내지 수만분의 1이므로 측정 대상체에 흠집을 기록하지 않는다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 장치(100)의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 초음파 장치(100)의 시스템도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 레이저 초음파 장치(100)는 초음파 유도 모듈(200), 초음파 신호 검출 모듈(300), 초음파 신호 처리 모듈(400), 및 중앙 제어 모듈(500)을 구비한다.

초음파 유도 모듈(200)은 펄스 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 초음파를 유도한다. 초음파 유도 모듈(200)은 초음파 여기용 펄스 레이저 장치(210), 펄스 폭 조절 장치(220), 편광자(230), 복수의 렌즈(240, 242), 복수의 거울(250, 252), 및 집속 렌즈(260)를 구비하여 이루어진다.

초음파 여기용 펄스 레이저 장치(210)는 고반복 극초단 펄스 레이저 빔을 발생시킨다. 고반복 극초단 펄스 레이저 빔은 펄스 반복률이 수백 kHz 내지 수십 MHz이고, 펄스 폭이 수십 내지 수백 fs(펨토초)이며, 펄스당 에너지가 수십 nJ 내지 수 μJ이다. 바람직하게는, 펄스당 에너지가 1μJ 이하인 것을 사용한다.

발생된 펄스 레이저 빔은 빔의 펄스 폭을 조절하는 펄스 폭 조절 장치(220)에 입사된다. 극초단 펄스 레이저는 수십 내지 수백 fs(펨토초)의 펄스 폭을 갖는데, 이렇게 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저 빔은 선폭(스펙트럼의 폭)이 넓다. 100fs의 펄스 폭을 갖는 티타늄 사파이어(Ti:sapphire) 레이저 빔의 경우 선폭은 100nm 정도나 된다. 빛은 파장에 따라 굴절률이 다르고, 따라서 전파 속도가 달라지게 된다. 따라서, 이렇게 넓은 대역의 파장 폭을 갖는 레이저가 공기 중이나 렌즈나 필터를 통과하면 파장이 긴 빔은 먼저 통과하고, 파장이 짧은 빔은 늦게 통과하게 되어, 결과적으로는 펄스 폭이 넓어지는 현상이 발생한다. 이를 보상하기 위해, 본 발명에서는 펄스 레이저 빔이 펄스 폭 조절 장치(220)를 통과하게 하여, 펄스 폭을 반대 방향으로 미리 넓게 만들려고 하는 것이다.

펄스 폭 조절 장치(220)는 한 쌍의 프리즘(221, 222)과 복수의 거울(223, 224, 225)을 구비한다.

초음파 여기용 펄스 레이저 장치(210)에서 나온 레이저 빔은 경로 ①을 따라 제1 프리즘(221)에 입사하고, 제1 프리즘(221)을 통과한 후 경로 ②의 방향으로 굴절되어 진행한다. 이때, 파장이 긴 빔은 굴절률이 작기 때문에 굴절이 조금 이루어져 경로 ②의 하측으로 치우쳐 진행하고, 파장이 짧은 빔은 굴절률이 크기 때문에 굴절이 많이 이루어져 경로 ②의 상측으로 치우쳐 진행하게 된다. 이와 같이, 제1 프리즘(221)에 의해 분산된 빔이 경로 ②를 따라 제2 프리즘(222)에 입사되면, 파장이 긴 빔은 제2 프리즘(222)의 두꺼운 부분을 통과하고, 파장이 짧은 빔은 제2 프리즘(222)의 얇은 부분을 통과하게 된다. 따라서, 제2 프리즘(222)을 통과한 후 경로 ③을 진행하는 빔은 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔 보다 앞서게 되어, 펄스 폭이 길어진다. 경로 ③을 따라 진행하는 빔은 거울(223)에 의해 반사되어 나온 후 경로 ④, 제2 프리즘(222), 경로 ⑤, 제1 프리즘(221)을 거치면서, 앞의 현상이 반복되어 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔보다 더욱 앞서게 된다. 따라서, 제1 프리즘(221)을 통과하여 경로 ⑥을 따라 진행하는 빔은 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔보다 앞선 상태로 펄스 폭이 길어지게 된다. 경로 ⑥을 따라 진행하는 빔은 거 울(224, 225)에 의해 진행 방향이 변환되어 편광자(230)에 입사된다.

편광자(230)에 입사된 빔은 편광이 조절된 후, 복수의 렌즈(240, 242)로 입사한다. 펄스 레이저 빔은 복수의 렌즈(240, 242)에서 크기와 시준이 조절된 후, 복수의 거울(250, 252)을 거치면서 입사 각도가 변환된다. 복수의 거울(250, 252)에서 입사 각도가 변환된 펄스 레이저 빔은 집속 렌즈(260)에서 집속되어 측정 대상체(10)에 입사한다.

이와 같이, 펄스 폭 조절 장치(220)를 나온 빔은 공기와 복수의 렌즈를 지나 측정 대상체(10)에 입사하는데, 공기 중이나 렌즈를 지날 때에 파장이 짧은 빔이 굴절률이 크므로 속도가 늦게 되어 뒤처지게 된다. 따라서, 레이저 빔이 측정 대상체(10)에 입사할 때에는, 파장이 긴 빔과 파장이 짧은 빔이 거의 동시에 입사하게 된다. 즉, 펄스 폭이 짧은 빔이 측정 대상체(10)에 입사할 수 있다.

선폭이 큰 극초단 펄스 레이저는 전파 경로 중의 공기나 렌즈를 지날 때에 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔 보다 뒤쳐지게 되므로, 미리 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔 보다 앞서도록 함으로써, 전파 경로 중에 발생하는 경로차를 보상할 수 있는 것이다.

레이저 빔의 전파 경로에 있는 렌즈가 두꺼워지거나 전파 경로의 거리가 멀면 분산 때문에 펄스 폭이 심하게 넓어질 수 있기 때문에, 프리즘에 입사하는 레이저 빔의 위치와 두 프리즘 사이의 간격을 조절하여 펄스 폭을 반대 방향으로 미리 넓게 형성함으로써, 측정 대상체(10)에 입사하는 레이저 빔의 펄스를 최적화할 수 있다.

프리즘을 2개 사용하는 이유는 빔을 평행한 방향으로 진행시키기 위함이다. 하나만 사용하면 프리즘을 통과한 빛이 파장에 따라 다른 방향으로 퍼져나가기 때문에, 두 번째 프리즘을 통과시킴으로써 빔을 평행한 방향으로 진행시킬 수 있다.

이렇게 측정 대상체(10)에 입사된 펄스 레이저 빔에 의해 초음파가 유도된다.

측정 대상체(10)에 입사되는 펄스 레이저 빔은 고반복 극초단 펄스 레이저 빔이므로, 수백 MHz 이상의 고주파수 대역을 갖는 초음파를 발생시켜, 얇은 박막이나 극미세 결함을 측정할 수 있다. 또한, 펄스 에너지가 종래의 레이저 초음파에 비해 수천 내지 수만분의 1이므로, 측정 대상체(10)에 흠집을 내지 않는다.

한편, 초음파 신호 검출 모듈(300)은 측정용 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 유도된 초음파 신호 정보를 추출한다. 초음파 신호 검출 모듈(300)은 연속 발진 레이저 장치(310), 선형 편광자(320), 거울(330), 편광 빔가르개(340), 파장판(350, 352), 집속 렌즈(360, 362), 간섭계(370), 광학 필터(380), 및 광검출기(390)를 구비하여 이루어진다.

연속 발진 레이저 장치(310)는 측정용 레이저 빔을 발사한다. 연속 발진 레이저 장치(310)에서 발사된 레이저 빔은 선형 편광자(320)에 의해 편광이 조절된 후, 거울(330)에 의해 반사된다. 거울(330)에 의해 반사된 레이저 빔은 편광 빔가르개(340)에서 반사되고, 파장판(350)에 의해 편광 상태가 바뀐 후, 집속 렌즈(360)를 거쳐 측정 대상체(10)에 조사된다.

측정 대상체(10)에서 반사된 레이저 빔은 집속 렌즈(360)와 파장판(350)을 거친 후 편광이 90도 회전하여 편광 빔가르개(340)를 통과한다. 편광 빔가르개(340)를 통과한 레이저 빔은 간섭계(370)에 입사된다. 간섭계(370)에서는 입사된 레이저 빔으로부터 초음파 신호를 추출한다. 간섭계(370)를 통과한 레이저 빔은 집속 렌즈(362)에서 집속되고 광학 필터(380)에서 잡빔이 걸러진 후, 광검출기(390)에 의해 수신된다.

초음파 신호 처리 모듈(400)은 신호 획득 처리 장치(410)를 구비하여 이루어지며, 신호 획득 처리 장치(410)에서는 광검출기(390)에 의해 수신된 빔의 신호를 획득하여 측정 대상체(10)의 결함 등의 특성 정보를 측정한다. 초음파 신호 정보로부터 결함 부분의 시작점과 종료점을 측정함으로써 결함의 위치나 폭 등을 산출할 수 있다.

신호 획득 처리 장치(410)는 고속으로 반복되는 신호를 적분하여 평균값을 구한다. 고반복 극초단 레이저는 펄스 폭이 매우 짧기 때문에 펄스 에너지가 매우 작다. 따라서, 매우 작은 초음파 신호가 발생하고, 매우 작은 신호를 측정하다보면, 신호가 시스템의 잡음에 묻혀버릴 수 있다. 그런데, 신호는 일정하게 발생하고 잡음은 무작위로 발생하므로, 반복되는 신호를 적분하여 평균을 하게 되면, 잡음은 제거(average-out)되고 신호는 남게 된다. 그렇게 하여 잡음이 작고, 신호 대 잡음비(S/N)가 높은 신호를 획득할 수 있다. 고반복 극초단 레이저는 수십 MHz의 펄스 반복률을 갖고, 펄스 에너지를 증폭한 경우에도 수백 kHz의 펄스 반복률을 갖기 때문에, 짧은 측정 시간 동안에도 여러 신호를 적분하여 평균 값을 구하는데 어려움이 없다.

한편, 중앙 제어 모듈(500)은 초음파 유도 모듈(200), 초음파 신호 검출 모듈(300), 및 초음파 신호 처리 모듈(400)의 동작을 제어한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 장치(100)의 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 초음파 장치(100)의 시스템도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 레이저 초음파 장치 200 초음파 유도 모듈

210 초음파 여기용 펄스 레이저 장치

220 펄스 폭 조절 장치 221 제1 프리즘

222 제2 프리즘 300 초음파 신호 검출 모듈

400 초음파 신호 처리 모듈

Claims

펄스 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 초음파를 유도하는 초음파 유도 모듈(200),

측정용 레이저 빔을 측정 대상체(10)에 조사하여 유도된 초음파 신호 정보를 검출하는 초음파 신호 검출 모듈(300), 및

상기 초음파 신호 정보로부터 상기 측정 대상체(10)의 특성의 정보를 측정하는 초음파 신호 처리 모듈(400)을 구비하고,

상기 펄스 레이저 빔은 고반복 극초단 펄스 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 펄스 레이저 빔은 펄스 반복률이 수백 kHz 내지 수십 MHz이고, 펄스 폭이 수십 내지 수백 fs이며, 펄스당 에너지가 수십 nJ 내지 수 μJ인 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 초음파 유도 모듈(200)은,

상기 펄스 레이저 빔을 발생시키는 초음파 여기용 펄스 레이저 장치(210)와,

상기 펄스 레이저 빔 중 파장이 짧은 빔이 파장이 긴 빔 보다 앞서가도록 경 로차를 발생시키는 펄스 폭 조절 장치(220)를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 펄스 폭 조절 장치(220)는 상기 경로차를 발생시키는 한 쌍의 프리즘(221, 222)과, 빔의 진행 방향을 전환하는 거울(223, 224, 225)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 펄스 폭 조절 장치(220)에 입사하는 펄스 레이저 빔은, 제1 프리즘(221)과 제2 프리즘(222)을 통과한 후, 역으로 제2 프리즘(222)과 제1 프리즘(221)을 통과하여, 상기 경로차가 발생하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 펄스 폭 조절 장치(220)에 의해 경로차가 발생된 펄스 레이저 빔이 전파 경로 중의 복수의 렌즈(240, 242, 260)를 통과하면서 상기 경로차가 좁아져서 펄스 폭이 짧은 빔이 상기 측정 대상체(10)에 입사하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 전파 경로의 거리와 상기 복수의 렌즈(240, 242, 260)의 두께에 따라 상기 프리즘(221, 222)에 입사하는 레이저 빔의 위치와 두 프리즘(221, 222) 사이의 간격을 조절하여, 상기 측정 대상체(10)에 입사하는 레이저 빔의 펄스 폭을 짧게 하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 초음파 신호 처리 모듈(400)은 고속으로 반복되는 상기 초음파 신호 정보를 적분하여 평균값을 구함으로써 신호 대 잡음비가 높은 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 장치.