CN101529242B - 超声激光测试用的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明各实施例涉及对超声进行光检测用的改进激光器。该“第一”检测激光器的主要任务是对待测试部件中用“第二”激光器来产生超声的部位进行照明。来自第一激光器的散射光用干涉仪收集和分析来对超声在部件表面处的回声所造成的表面振动进行解调。用二极管泵浦的光纤激光器构成改进的检测激光器(第一激光器)以产生高功率单频激光源。

Description

超声激光测试用的光纤激光器

相关申请

本申请因种种目的而通过引用来结合1998年6月30日提交的美国临时申请60/091,240并要求其权益。

本申请通过引用来结合Thomas E.Drake于1998年6月30日提交的发明名称为“用后收集光放大检测超声表面位移所用的方法和装置”的美国临时申请60/091,229并要求其给予Thomas E.Drake的权益。

本申请通过引用来结合Thomas E.Drake于2004年1月7日提交的发明名称为“用于超声测试用途的无人定位系统的远端激光束传递系统和方法”的美国专利申请10/753,208并要求其给予Thomas E.Drake的权益。

本申请通过引用来结合Thomas E.Drake于2004年2月12日提交的发明名称为“超声激光测试用的方法和装置”的美国专利申请10/634,342并要求其给予Thomas E.Drake的权益。

技术领域

本发明总体来说涉及对材料进行非破坏性评估的装置和方法，具体来说，涉及通过使用至少一个光纤激光器来检测超声表面位移以便对材料进行非破坏性评估的光信息处理装置和方法。

背景技术

近年来，使用先进的复合结构业已在航空和航天、汽车、以及许多其他工商产业中经历了极大的增长。复合材料在性能方面带来了显著的提高，但在制造过程中和材料用于最终成品之后均需要严格的质量控制程序。具体来说，非破坏性评估(NDE)方法必须就复合材料的结构完整性进行评定。这种评定检测掺杂、脱层以及砂眼。常规NDE方法费时、费力、成本高。结果是测试程序造成与复合结构相关联的制造成本增加。

已经提出了种种方法和装置来对复合结构的结构完整性进行评定。其中一个解决方案是使用超声源在待测定和分析的工件中产生超声表面位移。通常外部超声源是一对准目标的脉冲方式生成的激光束。来自分开的检测激光器的激光受到工件的超声表面位移的散射。各光收集器件与干涉仪等设备耦合连接，可通过对经散射的激光能量的分析来获得与复合结构的结构完整性有关的数据。激光超声已经显示出对于制造过程期间各部件的检查非常有效。

但用于激光超声的设备是专门设计的，而且在检查速度方面目前仍是制约因素。以往的固态检测激光器使用的是闪光灯泵浦的棒状结构或者二极管泵浦的板状配置用以放大低功率的主振荡激光器。上述配置通常称为主振荡器功放(MOPA)激光器。

检查速度目前仍受到激光器脉冲速率的限制。闪光灯泵浦的激光器只能以100Hz工作，而且这种灯通常只有数千万次量级的持续闪烁次数。因此这些激光器工作时较费时间而且成本较高。二极管泵浦板则快很多(目前的限制是400Hz，而1KHz也可能是可行的)，但使用成本非常高的定制的二极管阵列来对各板进行脉冲泵浦，产生可能导致热变形的大量热量。尽管二极管阵列的寿命越来越长，某些已经可持续百亿次闪烁，但由于高成本、高可靠性以及热变形而受到前所未有的关注。对晶体板进行的高功率脉冲方式的二极管泵浦会将热变形引入到最终限制激光束波形质量的板中。波前变形可能限制激光器的有用功率，并可能阻止光束经过高效益的光纤传递给目标。阵列中的每一二极管条可以具有40W至100W的峰值功率，必须在物理上彼此接近以便对激光器板的侧面进行高效的泵浦。阵列中二极管条的总数可以为50-100(会有一阵列对板的每一侧进行泵浦，因而可能会用到200条二极管条)。对于二极管阵列和板来说散热是具有重要意义的设计课题。

发明内容

本发明各实施例涉及基本上针对上述需要以及其他需求的系统和方法。下面的说明书和权利要求书中进一步说明本发明各实施例。本发明各实施例的优点和特征通过说明书、附图以及权利要求书会变得很清楚。

本发明各实施例提供一种用于检测远端目标的超声表面位移的方法。该方法包含用二极管泵浦的光纤激光器产生检测激光束。该检测激光束朝向远端目标其中超声表面位移使该检测激光束散射的表面。该检测激光束的散射产生可经过收集处理以便获得代表表面处的超声表面位移的数据的经相位调制的光。对经相位调制的光内的信息的分析将成就对远端目标内的结构进行分析的能力。

产生检测激光束进一步包含用主振荡器产生籽激光束。该籽激光束可接着用至少一个二极管泵浦激光放大器放大。至少是主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器分别为二极管泵浦的光纤激光器或光纤激光放大器。其他实施例中，主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可以为二极管泵浦的板状激光器，同时保持至少是主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器为二极管泵浦的光纤激光器或激光放大器这种限定。

另一实施例提供一可用于检测远端目标上的超声表面位移的超声表面检查系统或检测系统。该系统包括超声产生系统、二极管泵浦的检测光纤激光器、光收集器件、以及处理器。超声产生系统产生远端目标的超声表面位移。该方法可以以机械方式或采用激光器超声产生系统来实现。该二极管泵浦的检测光纤激光器产生的是基本上照明远端目标的超声表面位移的检测激光束。光收集器件收集经过远端目标反射或散射的来自二极管泵浦的检测光纤激光器的经相位调制的光。处理器可以对经相位调制的光进行光处理以便产生其中所包含的数据代表远端目标的超声表面位移的输出信号。接着该处理器可以对该输出信号进行处理来对远端目标的结构完整性进行评定。

二极管泵浦的检测激光器包括用以产生籽激光束的主振荡器以及用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器。至少是主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器为二极管泵浦的光纤激光器或激光放大器。其他实施例中，该二极管泵浦的检测光纤激光器可以包括主振荡器、至少一个二极管泵浦的激光前置放大器、以及至少一个二极管泵浦的激光放大器。如先前所说明的那样，上述器件其中至少一个若非全部的上述器件基于二极管泵浦的光纤激光器。

本发明其中另一实施例中提供的是一种用以测定远端目标表面上的超声表面位移来对该远端目标的结构完整性进行评定的大面积复合检查系统。该大面积复合检查系统可以包括超声产生系统、检测光纤激光器、光收集器件、光处理器、以及信号处理器。该超声产生系统产生远端目标处的超声位移。检测光纤激光器接着用检测激光束照明超声表面位移。扫描组件在检测激光器的照明斑点和远端目标两者间产生相对运动。该组件可以通过使得光束改向，使得检测激光束移动，或者使得远端目标移动来扫描检测激光束的任何组合来实现。光收集器件从远端目标的超声表面位移所反射或散射的检测激光束当中收集经相位调制的光。光处理器接着对光收集器件所收集的经相位调制的光进行处理来产生一输出信号。信号处理器接着对光处理器的输出信号进行处理以获得代表超声表面位移的数据。该数据可以接着用于对远端目标的完整性(举例来说复合材料的内部结构)进行评定。

附图说明

要对本发明及其优点进行更为全面的理解，现参照下面结合其中相应参照标号给出相应特征的附图所作的说明，附图其中包括：

图1示出按照本发明实施例使用生成激光束和检测激光束以产生和检测激光超声位移；

图2给出用以示出激光超声系统的基本部件的框图；

图3示出按照本发明实施例使用光纤激光作为检测激光束来检测激光超声位移；

图4示出按照本发明实施例使用光纤激光作为检测激光束来检测激光超声位移；

图5示出按照本发明实施例使用光纤激光作为检测激光束来检测激光超声位移；

图6示出按照本发明实施例使用光纤激光作为检测激光束来检测激光超声位移；以及

图7给出本发明一个或多个实施例的逻辑流程图。

具体实施方式

所披露的方法是用于检测远端目标的超声表面位移。该方法可包括下列步骤：产生远端目标的表面的超声位移；用二极管泵浦的光纤激光器产生检测激光束；使该检测激光束朝向远端目标的表面；由表面的超声表面位移使检测激光束散射以产生经相位调制的光；收集经相位调制的光；对经相位调制的光进行处理来获得代表表面处的超声表面位移的数据；以及采集具有该信息的数据对远端目标内的结构进行分析。产生远端目标的表面的超声位移可进一步包括：使一生成激光束朝向进而照明远端目标的表面其中一部分，其中超声表面位移发生于远端目标的表面经过照明的部分内。该方法可进一步包括对数据进行处理以对远端目标的结构完整性进行评定。产生检测激光束可进一步包括下列步骤：用主振荡器产生籽激光束；以及用至少一个二极管泵浦的激光放大器使该籽激光束放大，其中至少是该主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光器。用至少一个二极管泵浦的激光放大器使该籽激光束放大可以进一步包括：用至少两个平行二极管泵浦的激光放大器使该籽激光放大，其中至少两个平行二极管泵浦的激光放大器其输出组合于单一光纤内。主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可以包括一二极管泵浦的板状激光器。主振荡器可以包括一二极管泵浦的光纤激光器。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括可用于以大约1000nm的波长产生辐照的镱掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括可用于以大约1550nm的波长产生辐照的铒掺杂光纤或共掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括具有侧面包层泵浦的光纤激光器，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤耦合连接。泵浦光纤可通过有源光纤的侧面包层或内部包层与有源光纤耦合连接。泵浦二极管可包括单发射极、单发射极组、二极管条、和/或二极管条组。用至少一个二极管泵浦的激光放大器使籽激光束放大包括下列步骤：用二极管泵浦的激光前置放大器使该籽激光束放大；以及用第二二极管泵浦的激光放大器使得用该二极管泵浦的激光前置放大器所放大的该籽激光束放大。

所披露的是一种可工作用以检测远端目标的超声表面位移的装置。一实施例中该装置包括：可工作用以产生远端目标的超声表面位移的超声产生系统；可工作用以产生基本上照明远端目标的超声表面位移这种检测激光束的二极管泵浦的检测光纤激光器；可工作用以收集二极管泵浦的检测光纤激光器经过远端目标反射或散射的经相位调制的光的光收集器件；以及可工作用以进行下列步骤的处理器：对二极管泵浦的检测光纤激光器经过远端目标反射或散射的经相位调制的光进行处理来获得代表远端目标的超声位移的数据；以及对代表超声位移的数据进行处理来对远端目标的结构完整性进行评定。二极管泵浦的检测光纤激光器可包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器，其中主振荡器包括二极管泵浦的光纤激光器；可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光前置放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器可包括二极管泵浦的光纤激光放大器；以及可工作用以使至少一个二极管泵浦的激光前置放大器所产生的输出激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光放大器。超声产生系统可工作用以使一生成激光束朝向进而照明远端目标的表面其中一部分，其中超声表面位移发生于远端目标的表面经过照明的部分内。二极管泵浦的检测光纤激光器可以包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器；以及可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中至少是该主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括二极管泵浦的光纤激光器。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括可用于以大约1000nm的波长产生辐照的镱掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括可用于以大约1550nm的波长产生辐照的铒掺杂光纤或共掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可以包括具有侧面包层泵浦的光纤激光器，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤耦合连接。泵浦光纤通过有源光纤的侧面包层或内部包层与有源光纤耦合连接。泵浦二极管可以包括单发射极、单发射极组、二极管条、和/或二极管条组。二极管泵浦的检测光纤激光器可包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器；以及可工作用以使该籽激光束放大的至少两个平行二极管泵浦的激光放大器，其中至少两个平行二极管泵浦的激光放大器可以包括二极管泵浦的光纤激光器，其中至少两个平行二极管泵浦的激光放大器其输出可以组合于单一光纤内。主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括一二极管泵浦的板状激光器。主振荡器可包括一二极管泵浦的光纤激光器，至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括一二极管泵浦的光纤激光放大器。二极管泵浦的检测光纤激光器可以包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器；可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光前置放大器；以及可工作用以使该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器所产生的输出激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中至少是该主振荡器、该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括二极管泵浦的光纤激光器。

同样披露的是一种大面积复合检查装置，用于测定远端目标其表面的超声表面位移，包括：可工作用以产生远端目标的超声表面位移的超声产生系统；可工作用以由检测激光束照明远端目标其表面的超声表面位移的检测光纤激光器；可工作用以产生检测激光束的照明部位和远端目标的表面两者间的相对运动的扫描组件；用于收集检测激光束经过远端目标反射或散射的经相位调制的光的光收集器件；用以处理光收集器件所收集的经相位调制的光并产生一输出信号的光学处理器；以及可工作用以对该输出信号进行处理来获得代表远端目标其表面的超声表面位移的数据的处理器。超声产生系统可工作用以：使一生成激光束朝向进而照明远端目标的表面其中一部分，其中超声表面位移发生于远端目标的表面经过照明的部分内。检测激光束可以包括连续波方式激光束或脉冲方式激光束。二极管泵浦的检测光纤激光器包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器；以及可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中至少是该主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光器。该至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括：可工作用以使该籽激光束放大的至少两个平行二极管泵浦的激光放大器，其中至少两个平行二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光器，其中至少两个平行二极管泵浦的激光放大器其输出可组合于单一光纤内。主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括一二极管泵浦的板状激光器。主振荡器可包括一二极管泵浦的光纤激光器，至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括一二极管泵浦的光纤激光放大器。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括可用于以大约1000nm的波长产生辐照的镱掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括可用于以大约1550nm的波长产生辐照的铒掺杂光纤或共掺杂光纤。主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括具有侧面包层泵浦的光纤激光器，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤耦合连接。泵浦光纤可通过有源光纤的侧面包层或内部包层与有源光纤耦合连接。泵浦二极管可包括单发射极、单发射极组、二极管条、和/或二极管条组。二极管泵浦的检测光纤激光器可包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器；可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光前置放大器；以及可工作用以使该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器所产生的输出激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中至少是该主振荡器、该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器或至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光器。二极管泵浦的检测光纤激光器可包括：可工作用以产生籽激光束的主振荡器，其中主振荡器可包括二极管泵浦的光纤激光器；可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光前置放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器可包括二极管泵浦的光纤激光放大器；以及可工作用以使该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器所产生的输出激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光放大器可包括二极管泵浦的光纤激光放大器。大面积复合检查装置可进一步包括用以横跨远端目标的表面移动检测激光器并接着记录和索引该大面积复合检查装置所检测的数据的定位装置。该定位装置可以为龙门架定位装置。

图中示出本发明优选实施例，用相应标号参照各附图的相应部件。

本发明各实施例提供一种激光超声系统内所用的光纤激光器。该“第一”检测激光器的主要任务是对待测试部件中用“第二”激光器来产生超声的部位进行照明。来自第一激光器的散射光用干涉仪收集和分析来对超声在部件表面处的回声所造成的表面振动进行解调。用二极管泵浦的光纤激光器构成改进的检测激光器(第一激光器)以产生高功率单频激光源。

该二极管泵浦的光纤激光器可按很多方法构成。其中一个方法是使用单频非平面环形振荡器(NPRO)作为主振荡器，接下来由一个或多个光纤激光放大器进行后续放大。另一方法是使用光纤激光器作为主振荡器并使用各光纤激光器作为放大器来构成全光纤单频激光器。

以往的固态检测激光器使用的是闪光灯泵浦的棒状结构或者二极管泵浦的板状配置用以放大低功率的主振荡激光器。上述配置通常称为主振荡器功放(MOPA)激光器。闪光灯泵浦的激光器能够以接近100Hz工作，而二极管泵浦板设计则容易以400Hz工作，但可延伸至1KHz。通常的脉冲轮廓对于50微秒至100微秒会达到1000W的峰值。激光器的脉冲速率是制约激光UT系统检查量的其中一个因素。

所提供的本发明各实施例是为了加快检查速率，提高系统可靠性，降低运作成本，并且使得系统能够灵活机动和便于携带。目前检查速度受到激光器脉冲速率的制约。闪光灯泵浦的激光器只能以100Hz工作，而且这种灯通常只有数千万次量级的持续闪烁次数。因此这些激光器工作时较费时间而且成本较高。二极管泵浦板则快很多(目前的限制是400Hz，而1KHz也可能是可行的)，但使用成本非常高的定制的二极管阵列来对各板进行脉冲泵浦。尽管二极管阵列的寿命有所改善，某些已经可持续百亿次闪烁，但由于高成本和高可靠性而受到前所未有的关注。对晶体板进行的高功率脉冲方式的二极管泵浦会将热变形引入到最终限制激光束波形质量的板中。波前变形可能限制激光器的有用功率，并可能阻止光束经过高效益的光纤传递给目标。

二极管阵列中的每一二极管条可以具有40W至100W的峰值功率，必须在物理上彼此接近以便对激光器板的侧面进行高效的泵浦。阵列中二极管条的总数可以为50-100(会有一阵列对板的每一侧进行泵浦，因而可能会用到200条二极管条)。对于二极管阵列和板来说散热和热变形会成为具有重要意义的设计课题。

全光纤放大器方案使用许多小连续波(cw)二极管来对掺杂的光纤进行泵浦。该方案具有若干优点。其一，全部的光纤耦合泵浦二极管在功率方面相对较小(通常只有稍许瓦数)，任何一个的损耗会对激光器的总体性能几乎无任何影响。光纤耦合二极管的散热是与增益介质(掺杂光纤)分开安排的。上述低功率二极管具有10万小时的平均故障时间(MTBF)等级。

光纤激光器/放大器的热管理与常规的块型晶体增益介质内部相比更为容易操作。光纤表面面积(热量散发部位)与体积之比是与板状放大器的表面/体积比相比较大的许多量级。光纤激光器按几乎没有波前变形(M^2＜1.2)的单模方式(TEM00)运作。利用当前可以按连续波cw方式或调制(脉冲)方式工作的光纤激光器，速度限制并非激光速度，而是为超声传播时间和扫描能力。有效的扫描速率可为10KHz或以上。光纤激光器不使用诸如镜面或透镜这类常规的分立或成块的光学器件。因此沾染问题被解决。光纤激光器如同一件产业用电子器件。灵活的结构使得激光超声检查设备的设计能够灵活机动和可便于携带。总体来说，光纤激光器较好地适合于严苛的产业环境。

图1示出产生和检测激光超声位移的两条进入激光束。激光束102产生超声，而照明激光束104则检测诸如但不限于待测试的复合材料这类远端目标106处的超声。如图所示，上述激光可以同轴应用于远端目标106。生成激光束102在目标106中引起热弹性膨胀112，其造成超声波108的形成。不同实施例中，生成激光束在目标106中造成烧蚀。超声波108在目标106中传播，对照明激光束104进行调制、散射以及反射来生成远离目标106方向的经相位调制的光110，其经过收集和处理以便获得远端目标106的内部结构的信息。

图2给出用于进行超声激光测试的基本部件的框图。生成激光器210产生的是其光学组件214朝向目标216的激光束212。如图所示，光学组件214包括按扫描或测试平面布置218移动激光束212和224的扫描器等类似机构。扫描或测试平面布置218也可由目标216的移动或者目标216的移动和激光束212和224经过组件214的移动这两者的组合来产生。光学组件214可以包括本领域技术人员所公知的视觉摄像机、进深摄像机、范围检测器、窄带摄像机等类似光学传感器。上述光学传感器分别会需要在进行检查之前进行校准。这种校准对系统的能力进行验证来集成各种传感器所采集的信息。生成激光器210在目标216内产生超声波108。

超声波108为复合材料随该材料吸收生成激光束而发生热弹性膨胀112的结果。诸如但不限于复合材料这类远端目标216很容易在没有烧蚀或破损的情况下吸收生成激光束212。较高功率的生成激光器并不一定是克服SNR问题所理想的，这是由于上述激光器可能造成烧蚀。其他实施例中，随所测试的材料，某些烧蚀会为了提高所检测信号的SNR而可接受。生成激光束212具有相应的脉冲持续时间以引起超声表面变形。举例来说，横向激励的常压(TEA)CO₂激光器可对100纳秒脉冲产生10.6微米波长光束。激光器的功率必须足以将例如0.25焦耳脉冲传递给目标，这可能需要在400Hz脉冲重复速率下工作的100瓦激光器。本发明某一实施例中生成激光束212经过吸收从而产生热量进入到目标表面，由此在没有明显烧蚀的情况下造成热弹性膨胀。本发明不同实施例中，生成激光束212经过吸收从而在目标表面中产生足够的热量以造成成为超声波生成主要机制的烧蚀。

按脉冲方式或连续波方式工作的照明或检测激光器220并不引起超声位移。举例来说，可使用Nd:YAG激光器。该激光器的功率必须足以传递例如100毫焦耳、100微秒脉冲，其可能需要1千瓦激光器。照明激光器220产生检测激光束224。照明激光器220包括滤光机构222或与滤光机构222光耦合连接来消除来自检测激光束224的噪声。光学组件214使得照明激光束224朝向复合材料216其中使检测激光束224散射和/或反射的表面。所生成的经相位调制的光由光收集器件226收集。如这里所示，经过散射和/或反射的照明激光往后传播通过光学组件214。可选的光学处理器228和干涉仪230对经相位调制的光进行处理以便生成所包含的信息代表复合材料216表面的超声位移的信号。数据处理控制系统232对各激光超声系统部件进行协调运作。

数据处理控制系统232可以为单个处理设备或多个处理设备。这样一种处理设备可以为微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、可字段编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路、和/或根据存储器中存储的操作指令对信号(模拟和/或数字)进行操作的任何器件。存储器课可以为单个存储器件或多个存储器件。这样一种存储器件可以为只读存储器、随机存取存储器、易失存储器、非易失存储器、静态存储器、动态存储器、闪烁存储器、高速缓存存储器、和/或存储数字信息的任何器件。存储器存储下面图示说明的与至少某些步骤和/或功能相对应的操作指令，数据处理控制系统232则执行上述操作指令。

图3示出按照本发明实施例在检测激光器220内采用光纤激光器。图3中所示的检测激光器220的实施例可以使用可用光纤304与单模泵浦的光纤放大器306耦合连接的主振荡器302。于是经过放大的激光束可以传递给待测试的工件或样品。检测激光应用于将用光纤308检查的材料。主振荡器302可以为一二极管泵浦的非平面环形振荡器(NPRO)，其中具有一允许所生成的籽检测激光束310通过光纤304提供给二极管泵浦的光纤放大器306的光纤耦合输出312。另一方法可以使用光纤激光器作为主振荡器302、并使用一个或多个诸如二极管泵浦的光纤放大器306这种光纤激光器作为放大器来构成全光纤单频激光器。

图4示出按照本发明实施例使用光纤激光器的检测激光器220的第二实施例。本例中，主振荡器302与两个或多个二极管泵浦的光纤放大器306和316耦合连接。如同前面那样，主振荡器302具有与光纤304耦合连接的光纤耦合输出312。主振荡器302产生通过光纤304传递给二极管泵浦的前置放大器306的籽激光310。举例来说，主振荡器302所产生的激光束310可以为25毫瓦激光。二极管泵浦的光纤前置放大器306可将激光束310的功率提高至100瓦。需要的话，第二放大器316可用于将检测激光器的功率进一步提高至1000瓦。该光纤泵浦的放大器316的输出于是用光纤308传递给所要测试的材料。

单个放大器所产生的单频辐照功率水平会受到称为受激布里渊散射(SBS)的物理现象的制约。当发生SBS时，放大器起到镜面作用，使得该辐照往后反射至主振荡器，可能对其造成损伤，严重限制输出功率。总体来说，光纤304和放大器光纤306为直径通常小于50微米的单模光纤。发生SBS所用的功率阈值与光纤直径的平方成正比。为了对光纤放大器其所需的光纤直径按超出SBS功率阈值的功率水平产生单频辐照，可使用若干平行的光纤放大器，每一放大器产生其本身SBS阈值以下的功率水平。全部放大器的输出单模光纤由熔融片或通过其他技术组合成为所具有的SBS阈值为平行放大器的组合功率以上的较大多模光纤。图5和图6作为本发明其中两个实施例给出该方法。

图5示出检测激光器220其中另一实施例。如同前面那样，该检测激光器包括主振荡器302、单模光纤304、第一二极管泵浦的光纤放大器306。输出光纤308为通常具有大于50微米直径的较大芯直径光纤，第二阶段具有多重平行二极管泵浦的放大器316A、316B、以及316C。上述平行二极管泵浦的放大器其输出可以组合于单一光纤内部。主振荡器302产生一籽激光束310，其通过光纤耦合输出312提供给光纤304。该例其中一个实施例中，主振荡器302的功率输出会需要产生一具有大约25毫瓦功率的激光束310。为了说明起见，二极管泵浦的光纤前置放大器306可以将该激光束的功率提高至近100瓦。接下来，3个平行二极管泵浦的光纤放大器316A、316B、以及316C分别与二极管泵浦的光纤放大器306的输出耦合连接。每一二极管泵浦的光纤放大器产生其本身SBS阈值以下的功率。该3个平行二极管泵浦的光纤放大器316A、316B、以及316C可以使输出激光束314的功率急剧提高。如本例所示，当采用二极管泵浦的光纤放大器这种配置时多模输出可以大于1000瓦。

图6示出按照本发明实施例使用光纤激光器的检测激光器220的另一实施例。该实施例中，检测激光器220再次包括主振荡器302、单模光纤304、第一二极管泵浦的光纤放大器316A、316B、和316C、以及可用于传递检测激光束314的多模输出光纤光器件308。本例中，主振荡器302由二极管泵浦的单频光纤激光器所替代，与NPRO相反。

与主振荡器和光纤放大器相关联的光纤激光器可以为：(1)可用于按大约1000nm波长产生辐照的镱掺杂光纤；(2)可用于按大约1550nm波长产生辐照的铒掺杂光纤或共掺杂光纤。光纤激光器可以使用侧面包层的泵浦，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤相耦合连接。泵浦光纤通过侧面包层或有源光纤的内部包层与有源光纤相耦合连接。上述泵浦二极管可以包括单发射极、单发射极组、二极管条、和/或二极管条组。

另外，当使用多重阶段来使籽激光310放大时，某些实施例可以采用二极管泵浦的板状激光器和二极管泵浦的光纤激光器两者的组合。利用该用法的全部用法或部分用法，用以放大或产生检测激光的二极管泵浦的光纤激光器提供许多优点。通过用许多较小连续波(cw)二极管对激光光纤进行泵浦，每一光纤耦合泵浦二极管其功率相对较小(通常只使用稍许瓦数)。因此，任何一个或部分二极管的损耗会对所要生成的激光的总体性能几乎无任何影响。

散热问题和激光束314波形轮廓的热变形有很大的消减。光纤耦合二极管的散热可以相对于增益分开管理。另外，上述低功率二极管通常提供当前在二极管板状激光器中的板中可资利用的有很大提高的平均故障时间(MTBF)等级。光纤激光器类放大器的热管理与使用常规块型晶体增益介质的情形相比时有很大改善。这是因为从光纤散热的光纤表面面积与生成或放大激光的体积之比为大于与板状放大器相关联的块表面体积比情形许多的量级。于是，光纤激光器可以按几乎没有波前变形的单模方式运作。光纤激光器可按连续波CW方式或经调制脉冲方式工作，因而速度限制并非激光速度，而是所要测试的材料内的超声传播时间和其他部件用于在所要测试的部件范围扫描检测激光的扫描能力。这允许有效扫描速率为10kHz或以上。与现有系统的扫描速率相比提供明显的改善。另外，该灵活的结构可以使适用于严苛产业环境的激光超声检查系统设计能够灵活机动和便于携带。

图7给出本发明一个或多个实施例其中说明如何可以在激光超声检查系统内产生检测激光的逻辑流程图。运作400以在步骤402中产生籽检测激光为开始。该籽检测激光束可以为低功率、即可进行放大的25毫瓦这种量级的激光束。该籽检测激光束可以用NPRO或单个泵浦单频光纤激光器或者用以产生籽检测激光的其他公知手段来产生。该籽激光束接下来可以在步骤404中用一个或多个二极管泵浦的光纤放大器来放大。前面说明的实施例中是采用二极管泵浦的光纤激光放大器来将检测激光的功率从25毫瓦提高至1000瓦或以上。步骤406中检测激光束传递给目标。

工作中本发明允许在有限的进出区域内测试更为复杂的表面时在更宽范围的环境中使用激光超声测试设备。本发明各实施例可以利用光纤激光器来产生检测激光束以及可能的生成激光束并将其传递给要测试的远端目标。这样允许激光超声系统的总体尺寸有较大的削减。举例来说，可以采用小得多的无人系统来替代较大的龙门架系统将生成激光束和检测激光束传递给所要测试的目标的表面。这允许本发明实施例所提供的激光超声检查系统不仅用于检查个体部件，还用于对结合的部件的内部结构进行评定。因而，不仅可以由本发明实施例所提供的激光超声系统检查个体部件，还可以检查由个体部件所形成的组装结构。这允许在结合结构完成之后进行检查来观察该结构整个寿命周期其内部结构是否有什么变化。另外，本发明实施例可以提供在工场用光纤激光器对远端目标的超声位移进行检测，而没有往往与检测激光束的传递或检测用自由空间相关联的问题。

光纤激光器可以通过使用镱掺杂光纤来产生波长与当前用于工业激光超声检查的1064纳米波长相似或相同的激光发光。镱掺杂光纤因此可以在无需替换任何光器件和检测器的情况下替代当前使用的二极管泵浦或闪光泵浦的棒状或板状检测激光器。但铒掺杂或者铒共掺杂的光纤可以产生波长大约为1550纳米的激光发光。该波长范围被公认为对眼睛是安全的。采用眼睛安全的波长时与大约1000纳米的波长相比较，安全要求有明显的降低。若要在开放的工场或制造环境中使用激光超声检查系统，安全要求的降低可换来投资和运作成本重大的削减。

使用按大约为1550纳米的波长工作的检测激光器，其另外的优点在于可撬动为电信技术研发的如检测器、调制器、光纤等大量光技术。

可用不同方法对光纤激光器和光纤放大器进行泵浦。最为盛行的方法为包层泵浦，其中泵浦辐照加入到光纤激光器或放大器的包层中。包层泵浦可从包层端部进行(端部泵浦)或从包层侧面进行(侧面泵浦)。侧面泵浦消除端部或同轴泵浦的困难，其中有偏轴内芯设计或者扭转方式的有源泵浦光纤设计。另外，熔融光纤的耦合连接消除了对聚焦光器件以及校准的需要，而且与诸如端部或V槽泵浦这类其他设计相比更为牢靠。

通过采用个体二极管和包层侧面泵浦技术，可通过引入另外的泵浦二极管在对可靠性没有不良效应的情况下使功率放大。个体二极管的寿命周期其量级大于二极管条的量级。另外，单发射极彼此独立，因而当某一发射极故障时，与二极管条有所不同，其不影响任何其他发射极。结果是，单发射极故障的情况下，光纤激光器或放大器的总输出功率其下降量很小是因为有较大数目的二极管发射极。

总而言之，本发明实施例涉及对超声进行光检测用的改进激光器。该“第一”检测激光器的主要任务是对待测试部件中用“第二”激光器来产生超声的部位进行照明。来自第一激光器的散射光用干涉仪收集和分析来对超声在部件表面处的回声所造成的表面振动进行解调。用二极管泵浦的光纤激光器构成改进的检测激光器(第一激光器)以产生高功率单频激光源。

作为本领域普通技术人员来说，会理解如同这里所用的用语“基本上”或“接近”是针对其相应用语给出的业界接受的宽裕范围。这样一种业界接受的宽裕范围从不足百分之一至百分之二十，并且对应但不限于分量数值、集成电路工艺变化量、温度变化量、升降次数、和/或热噪声。作为本领域普通技术人员来说，还会理解如同这里所用的用语“以可工作方式耦合连接”，包括直接耦合连接和通过另一部件、元件、电路、或模块的非直接耦合连接，其中对于非直接耦合连接来说，居中的部件、元件、电路、或模块并非对信号的信息进行修改，而是可以调整其电流水平、电压水平、和/或功率水平。作为本领域普通技术人员来说，也会理解隐含的耦合连接(即通过推理可知的某一元件与另一元件耦合连接的情形)与“以可工作方式耦合连接”同样包括直接耦合连接和两个元件之间的非直接耦合连接。作为本领域普通技术人员来说，还会理解如同这里所用的用语“相比较较为有利的是”，是指两个或多个元件、项目、信号等之间的比较，提供所需的关系。举例来说，当所需的关系为信号1与信号2相比具有较大的幅度时，在信号1的幅度大于信号2的幅度时或者信号2的幅度小于信号1的幅度时可以获得较为有利的比较。

尽管详细说明了本发明，但应理解可以在不背离如所附权利要求所限定的本发明实质和范围的情况下对此进行种种变化、替换和替代。

Claims (13)

1.一种用于检测远端目标之处的超声表面位移的方法，包括下列步骤：

产生远端目标的表面的超声表面位移；

提供二极管泵浦的检测光纤激光器，其包括：

主振荡器，包含二极管泵浦的光纤激光器；

二极管泵浦的激光前置放大器，包含二极管泵浦的光纤激光放大器；以及

至少一个二极管泵浦的激光放大器，包含二极管泵浦的光纤激光放大器；

利用所述主振荡器产生籽激光束；

利用所述二极管泵浦的激光前置放大器使该籽激光束放大，从而产生输出激光束；

利用所述至少一个二极管泵浦的激光放大器放大所述输出激光束，由此产生检测激光束；

使该检测激光束朝向远端目标的表面；

由表面之处的超声表面位移使检测激光束散射以产生经相位调制的光；

收集经相位调制的光；

对经相位调制的光进行处理来获得代表表面之处的超声表面位移的数据；以及

采集该数据对远端目标内的结构进行分析。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生远端目标的表面的超声表面位移进一步包括：

使一生成激光束朝向进而照明远端目标的表面其中一部分，其中超声表面位移发生于远端目标的表面经过照明的部分内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括对数据进行处理以对远端目标内的结构完整性进行评定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主振荡器或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括二极管泵浦的板状激光器。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括具有侧面包层泵浦的光纤激光器，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤耦合连接。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括可用于以大约1000nm的波长产生辐照的镱掺杂光纤。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，主振荡器和/或至少一个二极管泵浦的激光放大器包括可用于以大约1550nm的波长产生辐照的铒掺杂光纤或共掺杂光纤。

8.一种可工作用以检测在远端目标上的超声表面位移的装置，包括：

可工作用以产生远端目标之处的超声表面位移的超声产生系统；

可工作用以产生照明远端目标之处的超声表面位移的检测激光束的二极管泵浦的检测光纤激光器；

可工作用以收集来自二极管泵浦的检测光纤激光器的经过远端目标反射或散射的经相位调制的光的光收集器件；以及

可工作用以进行下列步骤的处理器：

对来自二极管泵浦的检测光纤激光器的经过远端目标反射或散射的经相位调制的光进行处理来获得代表远端目标之处的超声表面位移的数据；以及

对代表超声表面位移的数据进行处理来对远端目标内的结构完整性进行评定，

其中二极管泵浦的检测光纤激光器包括：

可工作用以产生籽激光束的主振荡器，其中主振荡器包括二极管泵浦的光纤激光器；以及

可工作用以使该籽激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光前置放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器包括二极管泵浦的光纤激光放大器；以及

可工作用以使该至少一个二极管泵浦的激光前置放大器所产生的输出激光束放大的至少一个二极管泵浦的激光放大器，其中该至少一个二极管泵浦的激光放大器包括二极管泵浦的光纤激光放大器。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，超声产生系统可工作用以：

使一生成激光束朝向进而照明远端目标的表面其中一部分，其中超声表面位移发生于远端目标的表面经过照明的部分内。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，主振荡器和/或二极管泵浦的光纤激光放大器包括具有侧面包层泵浦的光纤激光器，其中泵浦二极管通过泵浦光纤与有源光纤耦合连接。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，泵浦光纤通过有源光纤的侧面包层或内部包层与有源光纤耦合连接。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，泵浦二极管包括单发射极、单发射极组、二极管条和/或二极管条组。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，二极管泵浦的检测光纤激光器包括：

可工作用以使该输出激光束放大的至少两个平行二极管泵浦的激光放大器，其中该至少两个平行二极管泵浦的激光放大器包括二极管泵浦的光纤激光放大器，其中该至少两个平行二极管泵浦的激光放大器的输出组合于单一光纤内。

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