DE102009043700B4

DE102009043700B4 - Laser-Ultraschall-Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102009043700B4
Application number: DE200910043700
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Peuser Peter; Dr. Platz Willi; Dr. Schnars Ulf
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2029-10-02
Also published as: DE102009043700A1

Abstract

Laser-Ultraschall-Messvorrichtung – mit mindestens einem Laseroszillator (18), dessen Strahl über eine Strahlteilereinheit (20a) einer Anzahl Laserverstärkern (16) zuführbar ist; – mit mindestens einer Pumpdioden-Lasereinrichtung (12), die über optische Fasern (14) oder aktive Tm-Faserlaser die Laserverstärker (16) pumpt und damit die Strahlung des Laseroszillators (18) verstärkt; – wobei jeder Laserverstärker (16) einen Wellenlängenkonverter (22) beaufschlagt, der die Laser-Wellenlänge in den Bereich 2 bis 12 μm konvertiert; – mit einer Strahlintegrationseinheit (24) zur Bündelung der Ausgangsstrahlen der Wellenlängenkonverter (22) in einem axial variablen Messpunkt (28) auf einem Werkstück (29) zur Erzeugung von Ultraschall im Werkstück (29); – mit einer als Detektionslaser aufgebauten Ultraschalldetektionsvorrichtung (32, 30) zur Erfassung von Ultraschallsignalen auf der Oberfläche des Werkstücks (29).

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-Ultraschall-Messvorrichtung.
Laserstrahlung im mittleren infraroten Wellenlängenbereich (MIR) mit hoher Pulsleistung und großer mittlerer Leistung ist für zahlreiche neue Anwendungssysteme erforderlich, wie beispielsweise für die zerstörungsfreie Materialprüfung von neuen Verbundwerkstoffen mittels des sogenannten Laser-Ultraschall-Testverfahrens (Laser-UST). In diesem Falle wird mit einem kurzen Laserpuls eine Ultraschallwelle im zu untersuchenden Material erzeugt. Deren Ausbreitung wird dann mit einem anderen Laser detektiert, wobei eventuell vorhandene Materialfehler Störungen der Ausbreitung verursachen, welche diese Materialfehler mit hoher Auflösung erkennen lassen. Bisher wurden für die Anregung der Ultraschallwelle hauptsächlich gepulste CO2-Laser eingesetzt, welche jedoch wegen der Emissionswellenlänge bei 10,6 μm und der begrenzten Pulsrate sowie auch eines großen Bauvolumens und eines hohen Gewichtes für diese Anwendung nicht optimal geeignet sind.
Prinzipiell kann ein Pulslaser für dem MIR-Bereich mittels eines kontinuierlichen (cw) Thulium-Faserlasers realisiert werden, der einen bei 2 μm emittierenden, mit Holmium dotierten, gepulsten Festkörperlaser optisch pumpt, welcher wiederum einen optisch nicht-linearen Kristall in einem Frequenzkonverter zur Emission von MIR-Strahlung anregt. Solche Laser für erhöhte mittlere Leistungen im MIR sind bisher nur als Laborsysteme realisiert. Diese sind jedoch in ihrer Ausgangsleistung bzw. Leistungsskalierbarkeit aufgrund zahlreicher, insbesondere thermisch bedingter laserphysikalischer Probleme auf nicht allzu große Leistungswerte bzw. in Verbindung mit höheren Pulsenergien von mehreren mJ in ihrer Pulsrepetitionsrate beschränkt, weisen eine hohe Komplexität auf und müssen wegen bestehender technischer Probleme bei der Herstellung von haltbaren optischen Beschichtungen auf den relevanten Laserkristallen für einen zuverlässigen und lang andauernden industriellen Einsatz als weniger geeignet bezeichnet werden. Darüber hinaus sind die durch fasergekoppelte Hochleistungsdiodenlaser verfügbaren Pumpleistungen wesentlich größer, d. h. im kW-Bereich, als bei den Tm-Faserlasern, sowie erheblich kostengünstiger.
Aus der nachveröffentlichten WO 2009/140458 A1 ist eine Messvorrichtung mit einem Laseroszillator, dessen Strahl über eine Strahlteilereinheit einer Anzahl Laserverstärkern zuführbar ist, ferner mit einer Pumpdioden-Lasereinrichtung, die über optische Fasern oder aktive Tm-Faserlaser die Laserverstärker pumpt und damit die Strahlung des Laseroszillators verstärkt, wobei jeder Laserverstärker einen Wellenlängenkonverter beaufschlagt und mit einer Ultraschalldetektionsvorrichtung zur Erfassung von Ultraschallsignalen auf der Oberfläche des Werkstücks bekannt.
Aus der WO 2008/115308 A1 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der kein Wellenlängenkonverter vorgesehen ist. Aus P. Peuser et. al. „Compact, passively Q-switched, all-solid-state master oscillator-power amplifier-optical parametric oscillator system pumped by a fiber-coupled diode laser generating high-brightness, tunable ultraviolet radiation” in Applied Optics, 1 July 2009, Vol. 48, No. 6, Seite 3839–3845 ist eine Pumpdioden-Laservorrichtung mit Wellenlängenverstärker und Laserwellenlänge im Bereich von 0,3 bis 0,4 µm bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Ultraschall-Messvorrichtung bereitzustellen, die hohe Pulsleistungen und Pulsenergien bei einer geeigneten Wellenlänge im mittleren infraroten Bereich zwischen 3 und 4 μm, eine hohe Pulsrepetitionsrate, einen hohen Grad an Kompaktheit, günstige Wartungsvoraussetzungen und eine hohe Betriebssicherheit bei langer Lebensdauer aufweist. Dabei sollten die Pulslängen typischerweise einige zehn Nanosekunden betragen. Zusätzlich sollte der Laser auf einem Roboterarm installierbar sein. Dabei sollten die großen thermischen Belastungen der Laserkomponenten und der für die Wellenlängentransformation in den MIR-Bereich erforderlichen optisch-nichtlinearen Kristalle, die durch die hohen Pulsenergien in Verbindung mit einer hohen Pulswiederholungsrate bedingt sind, berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die hier vorgeschlagene Lösung einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung mit hoher mittlerer Leistung im MIR-Bereich und Leistungsskalierbarkeit beruht auf der Verwendung eines diodengepumpten Festkörperlasersystems, dessen Energiezufuhr mittels vorzugsweise mehrerer biegsamer und robuster optischer Fasern erfolgt und welches im Wesentlichen aus einer Pumpdiodenlasereinrichtung mit elektrischer Energieversorgung und Steuereinheit, einer Energiezuleitung aus einem Bündel optischer Fasern, einem Laseroszillator, einer Strahlteilereinheit, einer Anzahl von synchron geschalteten Laserverstärkern mit je einem Wellenlängenkonverter sowie einer aktiv ansteuerbaren Strahlintegrationseinheit aufgebaut ist, welche die von den Wellenlängenkonvertern kommenden Einzelstrahlen auf einen Messpunkt auf einem Werkstück lenkt. Ferner ist eine vorzugsweise als Laser ausgebildete Detektionsvorrichtung vorgesehen, über welche die Auslesung der Ultraschallwelle erfolgt, welches sich vorzugsweise mittels eines separaten, dichroitischen Spiegels erreichen lässt, der im Anregungsstrahlengang installiert ist.
Durch die räumliche Trennung der Pumpdiodeneinheit vom eigentlichen Laserkopf kann dieser sehr kompakt konstruiert werden. Der Laserkopf beinhaltet einen gepulsten Laseroszillator, dessen Strahlung mittels einer optischen Strahlteilereinheit auf mehrere gleichartige Verstärkermodule aufgeteilt wird, welche somit synchron die Teilstrahlung verstärken. Der Laseroszillator wie auch die einzelnen Verstärkermodule sind jeweils über eine eigene optische Faser mit der Pumpdiodeneinheit verbunden. Jedem einzelnen Verstärkermodul ist ein kompakter Wellenlängerkonverter zugeordnet, vorzugsweise ein sogenannter optisch parametrischer Oszillator, Generator oder eine Oszillator-Verstärker Anordnung, wodurch die vom Verstärkermodul bereitgestellte Strahlung in den von der Anwendung vorgegebenen MIR-Bereich transformiert wird. Anschließend werden die einzelnen Strahlen mit der optischen Strahlintegrationseinheit so vereinigt, dass mit einem einzigen kurzen Puls hoher Energie eine geeignete, punktgenaue Anregung einer Ultraschallwelle im Werkstück hervorgerufen wird.
Durch die Erzeugung der Pulsenergie in separaten Zweigen aus je einem Hochleistungsverstärker mit einem damit gekoppelten Wellenlängenkonverter wird erreicht, dass die im Verstärkerkristall und im Wellenlängenkonverter erzeugte Verlustwärme auch bei hohen Pulsrepetitionsraten, d. h. bei hohen mittleren Leistungen, in einem lasertechnisch noch gut beherrschbaren Bereich bleibt und sich auf die einzelnen Zweige verteilt, so dass günstige Voraussetzungen für die Ableitung der Wärme geschaffen werden. Insbesondere wird auch gewährleistet, dass aufgrund der reduzierten thermischen Belastung der einzelnen Laserzweige eine hohe Strahlqualität erzielt werden kann. Durch die modulare Anordnung wird die Belastung der auf den Laser- und Verstärkerkristallen sowie auch auf den optisch nichtlinearen Kristallen aufgebrachten optischen Beschichtungen reduziert. Weiterhin lässt sich dadurch auch die Brechkraft der thermisch induzierten Linsen verkleinern sowie auch andere schädliche Auswirkungen hoher Intensitäten und hoher mittlerer Leistungen auf die Kristalle erheblich vermindern und einen sicheren Betrieb weitab von den Zerstörschwellen und mechanischen Bruchgrenzen erreichen.
Darüber hinaus gestattet diese Ausbildung die Konstruktion eines weitgehend miniaturisierten Laserkopfes, der nur durch einen flexiblen optischen Faserstrang mit der Energieversorgungs- und Steuereinheit verbunden ist. Durch die hierbei angewandte, sogenannte longitudinale optische Anregung der laseraktiven Kristalle wird gleichzeitig ein hoher Gesamtwirkungsgrad ermöglicht. Zusätzlich wird durch den modularen Aufbau ein leichter Austausch von Systemkomponenten im Falle einer erforderlichen Wartung oder bei Ausfall eines Modulzweiges ermöglicht. Bei einem solchen Ausfall würde sogar der Laserbetrieb bei etwas reduzierter mittlerer Leistung möglich sein, d. h., die Anwendung wäre unter Umständen nur geringfügig beeinträchtigt.
Die von den einzelnen Laserzweigen erzeugten Strahlen werden mittels der Strahlintegrator-Einheit in einem gemeinsamen Brennpunkt, dem Messpunkt, überlagert. Dies beinhaltet den weiteren Vorteil, dass durch diese Überlagerung eine Glättung bzw. Homogenisierung der Intensitätsverteilung des Gesamtstrahlprofils im Brennpunkt erzielt wird, was beispielsweise im Falle der Anwendung als Anregungslaser für UST erforderlich ist, um eine Materialzerstörung an der Oberfläche des Werkstücks auszuschließen. Dieser Strahlintegrator besteht aus einer Anordnung aus mehreren Spiegeln, wobei insbesondere die in den einzelnen Modulzweigen erzeugten Strahlen von äußeren Spiegeln auf eine innere Spiegeleinheit gelenkt werden, welche die Strahlen dann auf dem Werkstück überlagern. Diese innere Spiegeleinheit kann insbesondere linear in axialer Richtung verschoben werden, wodurch sich der Abstand des Überlagerungspunktes vom Laser variieren lässt. Auch eine gesteuerte Verkippung der einzelnen inneren Spiegel ist möglich, so dass sich eine noch weiter gehende Variation des Abstandes des Strahlen-Überlagerungsortes vom Laser erreichen lässt.
Die erfindungsgemäße Laseranordnung kann auch mit einer Anzahl von Faserlasern, vorzugsweise Tm-Faserlasern, aufgebaut und optisch gepumpt werden, wobei dann ein Holmium-dotierter Laserkristall im Oszillator und entsprechende Kristalle in den Verstärkerzweigen eingesetzt werden. Die dabei in den einzelnen Verstärkermodulen erzeugten Laserstrahlen mit einer Wellenlänge bei 2 μm werden dann, wie in dem oben beschriebenen System, einzelne Wellenlängenkonverterkristalle anregen, deren Strahlen dann in dem Strahlintegrator zusammengefasst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen, leistungsskalierbaren Puls-Lasersystem lassen sich grundsätzlich bei hohen mittleren Leistungen alle Wellenlängen im gesamten mittleren infraroten Bereich erzeugen, der sich von ungefähr 2 μm bis zu etwa 12 μm erstreckt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Laserverstärkeranordnung prinzipiell geeignet, überall dort, wo hohe mittlere Laserleistungen erforderlich sind, angewandt zu werden, also auch in praktisch allen anderen Wellenlängenbereichen.
Der Detektionslaser ist vorzugsweise wie der Anregungslaser auch als fasergekoppelter, diodengepumpter Laser aufgebaut, wodurch sich eine leichte Integrierbarkeit in den Anregungslaser ergibt.
Weiterhin ist vorzugsweise ein Abstandssensor enthalten, mit dem die Lage des optimalen Auftreffpunktes auf dem Werkstück bestimmt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Laserverstärker einen doppelten Strahlendurchgang des jeweiligen Laseroszillator-Strahls auf, der am Pumpdiodenseitenende reflektiert wird. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass der Verstärkungsfaktor besonders groß ist und somit auch ein großer Gesamtwirkungsgrad des Lasersystems resultiert.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Laserverstärker einen einfachen Strahlendurchgang des jeweiligen Laseroszillator-Strahls auf, der jeweils über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlengang des Pumpdioden-Laserstrahls einleitbar ist. Dadurch ist die Gesamtanordnung sehr kompakt, da keine längeren Strahlenwege erforderlich sind. Darüber hinaus lässt sich hierbei aufgrund der hohen Symmetrie einer solchen linearen Anregungs- und Verstärkungskonfiguration eine besonders hohe Strahlqualität erzeugen. Die Strahlteilereinheit befindet sich hierbei – in Strahlrichtung betrachtet – vor den Verstärkermodulen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Seitenansicht einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
2: eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
3: eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
4: eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
5: eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
5: eine schematische Draufsicht einer fünften Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung;
6: eine schematische Draufsicht einer sechsten Ausführungsform einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung.
In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. In 1 ist eine Laser-Ultraschall-Messvorrichtung 10 in Seitenansicht dargestellt, die eine Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 umfasst, die vorzugsweise aus mehreren Hochleistungs-Diodenlasern besteht, welche jeweils aus Laserarrays bestehen und Leistungen im kW-Bereich erzeugen können. Mittels eines Bündels optischer Fasern 14 ist die Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 mit einem Laseroszillator 18 und einer Anzahl an Laserverstärkern 16 gekoppelt. Der Laseroszillator 18 ist vorzugsweise ein gütegeschalteter Nd-dotierter Laser oder ein Yb-dotierter Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 1 μm. Alternativ kann auch ein gütegeschalteter Holmium-dotierter Laser verwendet werden, der eine Wellenlänge im Bereich von 2,1 μm aufweist. In diesem Falle besteht das Bündel optischer Fasern 14 aus aktiven Tm-Faserlasern.
Ferner ist eine Strahlteilereinheit 20 vorgesehen, mittels der die Strahlung des Laseroszillators 18 den Laserverstärkern 16 zugeführt wird. Den einzelnen Laserverstärkern 16 ist jeweils ein Wellenlängenkonverter 22 zugeordnet, mittels dem die Laser-Wellenlänge der Laserverstärker 16, die je nach Dotierung der Kristalle im Bereich von 1 μm oder 2,1 μm liegt, in den mittleren Infrarotbereich von vorzugsweise 3–4 μm konvertiert wird. Ferner ist eine Strahlintegrationseinheit 24 vorgesehen, welche die Strahlung der Wellenlängenkonverter 22 zusammenführt und das Strahlenbündel 26 in einem Mess- oder Fokuspunkt 28 auf einem Werkstück 29 fokussiert. Mit 30 ist ein Abstandssensor bezeichnet und mit 32 ein Detektionslaser, der im Brennpunkt 28 die im Werkstück 29 erzeugten Ultraschallwellen bzw. deren Reflektionen detektiert. Die Meßstrahlung des Detektionslasers 32 wird über Einkoppelspiegel 31 auf den Überlagerungspunkt 28 fokussiert. Der Abstandssensor 30 erfasst den Abstand der Strahlintegrationseinheit zum Meßpunkt auf dem Werkstück, so dass mittels der aktiv geregelten Spiegel der Strahlintegrationseinheit eine optimale Überlagerung der Teilstrahlen im Meßpunkt zustande kommt.
In den 2 bis 6 sind Draufsichten verschiedener Ausführungsformen 10a–10e dargestellt, die sich im Wesentlichen durch Abweichungen bei der Strahlteilereinheit 20a–20e und der Anordnung der Laserverstärker 16a, 16b von einander unterscheiden. Darüber hinaus sind in den 2 bis 5 Laserverstärker 16a vorgesehen, bei denen die zu verstärkende Laserstrahlung diesen doppelt passiert, also durch die Austrittsfläche ein- und wieder austritt und an der gegenüberliegenden Endfläche, bei der die Pumpstrahlung 17 eintritt, reflektiert wird. Demgegenüber ist in der Ausführung gemäß 6 ein Laserverstärker 16b mit einfachem Strahlendurchgang vorgesehen, bei dem der zu verstärkende Strahl des Laseroszillators 18 auf der einen Seite zusammen mit der Pumpstrahlung eintritt und auf der anderen Seite austritt.
Bei allen Ausführungsformen sind identische Module vorgesehen, die jeweils aus einem Laserverstärker 16 und einem zugeordneten Wellenlängenkonverter 22 bestehen. Es sei angemerkt, dass es auch möglich wäre, anstelle von vier auch zwei, drei oder mehr als vier Module vorzusehen. Unterhalb der Draufsichten sind jeweils schematische Stirnansichten dargestellt, in denen die Anordnung der Laserverstärker 16 relativ zum Laseroszillator 18 dargestellt ist.
Bei der Ausführung gemäß 2 sind die Laserverstärker 16 und der Laseroszillator 18 in Axialrichtung gesehen in einer Reihe angeordnet, wobei der Laseroszillator 18 mittig liegt und beiderseits je zwei Laserverstärker 16a vorgesehen sind. Die Strahlteilereinheit 20a besteht aus drei teilreflektierenden Spiegeln 40 und drei vollreflektierenden Spiegeln 42, über welche die vom Laseroszillator 18 erzeugte Laserstrahlung den vier Laserverstärkern 16 zugeführt wird. Diese von der Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 gepumpten Laserverstärker 16 verstärken die Laserstrahlung des Laseroszillators 18 und leiten diese den Wellenlängenkonvertern 22 zu. Mit 17 sind die Strahlengänge von der Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 in den Laseroszillator 18 und die Laserverstärker 16a bezeichnet.
Die Strahlintegrationseinheit 24 besteht aus einer Anzahl erster Spiegel 44 und einer Bündelspiegeleinheit 46, deren Stirnansicht mit vier im Quadrat angeordneten Spiegeln bei 48 gezeigt ist.
Die Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 unterscheiden sich von der gemäß 2 dadurch, dass der Laseroszillator 18 nicht zentrisch angeordnet ist sondern seitlich der nebeneinander angeordneten Module liegt. Bei der Ausführungsform gemäß 3 besteht die Strahlteilereinheit 20b aus zwei vollreflektierenden Spiegeln 42 und drei teilreflektierenden Spiegeln 40. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlteilereinheit einfacher gestaltet ist.
Demgegenüber umfasst die Ausführungsform gemäß 4 die Strahlteilereinheit 20c aus drei hintereinander angeordneten teilreflektierenden Spiegeln 40 und einem vollreflektierenden Spiegel 42, die über weitere vier vollreflektierende Spiegel 43 die Laserverstärker 16 beaufschlagen.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 liegen die Laserverstärker 16a in Axialrichtung betrachtet auf einem Kreis um den zentrisch angeordneten Laseroszillators 18. Diese Anordnung ist baulich besonders kompakt.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 sind Laserverstärker 16b vorgesehen, die einen einfachen Strahlengang des jeweiligen Teilstrahls vom Laseroszillator 18 aufweisen. Diese Anordnung ist sehr kompakt, da keine längeren Strahlwege erforderlich sind. Die Strahlteilereinheit 20e befindet sich hierbei – in Strahlrichtung betrachtet – vor den Verstärkern 16, wobei der Strahl des Laseroszillators 18 mittels Strahlteiler-Umlenkspiegeln 45 und teildurchlässigen Pumpspiegeln 47 den Verstärkern 16 zugeführt wird. Die aus den Fasern 14 austretende Diodenlaserstrahlung wird durch die Pumpspiegel 47 hindurch kollinear zur Richtung der Verstärkerachse in den Verstärkerkristall eingekoppelt und die Teilstrahlen des Laseroszillators 18 werden mittels dieser Pumpspiegel 47 von der Seite kollinear zur Pumpstrahlung eingekoppelt, so dass die Laseroszillatorstrahlung in den Laserverstärkern 16 optimal verstärkt wird.
Die Funktionsweise der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ausführungsform gemäß der 1 und 2 erläutert:
In der Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 wird kontinuierliches oder pulsförmiges Laserlicht einer Wellenlänge von ca. 800 nm für Nd-dotierte Lasermaterialien, 940 nm, 970 nm für Yb-dotierte Lasermaterialien oder 1,9 μm für Ho-dotierte Lasermaterialien angepasst an die Absorptionseigenschaften der eingesetzten Laserkristalle erzeugt, das über das Faserbündel 14 die vier Laserverstärker 16a, b pumpt. Die jedem Laserverstärker 16a, b zugeführte Leistung liegt im Bereich von mehreren hundert Watt bis zu mehr als 1 kW. Der ebenfalls von der Pumpdioden-Lasereinrichtung 12 gepumpte und als Nd-Laser, Yb-Laser oder Ho-Laser ausgebildete Laseroszillator 18 erzeugt eine pulsförmige Laserstrahlung mit ca. 1 μm Wellenlänge bzw. 2,1 μm, die mittels der Spiegel 40, 42 der Strahlteilereinheit 20a in gleichen Leistungen den vier Laserverstärkern 16 zugeführt wird. Die Laserverstärker 16 verstärken die Strahlung und leiten die verstärkte Laserstrahlung den vier Wellenlängenkonvertern 22 zu. In den Wellenlängenkonvertern 22 wird die Wellenlänge der Strahlung in den mittleren Infrarotbereich von vorzugsweise 3–4 μm konvertiert. Die Strahlung dieser Wellenlänge wird dann über die ersten Spiegel 44 und die Bündelspiegeleinheit 46 der Strahlintegrationseinheit 24 gebündelt und in einem Punkt 28 überlagert. Um den Fokuspunkt 28 in Axialrichtung zu verschieben, damit dieser auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks 29 trifft, ist die Bündelspiegeleinheit 46 axial verschiebbar. Zusätzlich können die einzelnen Spiegel der Bündelspiegeleinheit separat verkippt werden, so dass dadurch der Abstand zum Werkstück innerhalb eines größeren Bereichs variiert werden kann.

Claims

Laser-Ultraschall-Messvorrichtung – mit mindestens einem Laseroszillator (18), dessen Strahl über eine Strahlteilereinheit (20a) einer Anzahl Laserverstärkern (16) zuführbar ist; – mit mindestens einer Pumpdioden-Lasereinrichtung (12), die über optische Fasern (14) oder aktive Tm-Faserlaser die Laserverstärker (16) pumpt und damit die Strahlung des Laseroszillators (18) verstärkt; – wobei jeder Laserverstärker (16) einen Wellenlängenkonverter (22) beaufschlagt, der die Laser-Wellenlänge in den Bereich 2 bis 12 μm konvertiert; – mit einer Strahlintegrationseinheit (24) zur Bündelung der Ausgangsstrahlen der Wellenlängenkonverter (22) in einem axial variablen Messpunkt (28) auf einem Werkstück (29) zur Erzeugung von Ultraschall im Werkstück (29); – mit einer als Detektionslaser aufgebauten Ultraschalldetektionsvorrichtung (32, 30) zur Erfassung von Ultraschallsignalen auf der Oberfläche des Werkstücks (29).
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (18) Nd-, Yb- oder Ho-dotiert ist.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserverstärker (16) Nd-, Yb- oder Ho-dotiert sind.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenkonverter (22) optisch parametrische Oszillatoren oder Generatoren oder Oszillator-Verstärker-Anordnungen sind.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Abstandssensoreinrichtung (30) umfasst zur Messung eines Abstandes zum Werkstück (29) zwecks Optimierung eines Brennpunktes.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlintegrationseinheit (24) zu jedem Wellenlängenkonverter (22) einen äußeren Umlenkspiegel (44) umfasst, der den jeweiligen Strahl umlenkt auf eine verstellbare Bündelspiegeleinheit (46), deren Spiegel verstellbar sind.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelspiegeleinheit (46) axial verstellbar ist und die Einzelspiegel der Bündelspiegeleinheit separat verstellbar sind.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserverstärker (16) einen doppelten Strahlendurchgang des jeweiligen Laseroszillator-Strahls aufweisen, der am Pumpdiodenseitenende reflektierbar ist.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserverstärker (16) einen einfachen Strahlendurchgang des jeweiligen Laseroszillator-Strahls aufweisen, der jeweils über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlengang des Pumpdioden-Laserstrahls einleitbar ist.
Laser-Ultraschall-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpdioden-Lasereinrichtung (12) ortsfest ist, während die anderen Bestandteile in einem ausrichtbaren Laserkopf integriert sind, der über flexible optische Fasern (14) mit der Pumpdioden-Lasereinrichtung (12) gekoppelt ist.