DE1772530A1 - Laserinduzierter akustischer Generator - Google Patents
Laserinduzierter akustischer GeneratorInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. F.Weickmann, 1772530
DiPL.-InG. H-WEICKMANNj1DiPL-PHYS. Dr.K. FlNCKE
D1PL.-ING. F.-A.Weick.mann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 27, DEN
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22
United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford,
Connecticut, V.St.Ao
Laserinduzierter akustischer Generator ^
Die Erfindung betrifft die Erzeugung von akustischen Wellen
und insbesondere die Bestrahlung eines Festkörpers mit durch einen moden-blockierten Laser erzeugten, gleichmäßig.beabstandeten,
ultrakurzen, optischen Impulsen, um Schallimpulse mit hohem harmonischen Anteil im Mikrowellenbereich zu erzeugen«
Die Erzeugung hochfrequenter akustischer Wellen ist Offensicht- J
lieh erwünscht« Hochfrequente akustische Wellen sind beispielsweise
für Verzögerungsleitungen, zur Anzeige von Rissen und zur Untersuchung von Materialien äußerst geeignet.
Es ist bereits bekannt, daß die kurzzeitige Erwärmung bestimmter Materialien durch impulsförmige Bestrahlung, die durch
Laserstrahlen, Mikrowellen, elektrische Bogenentladungen und
Elektronenstrahlen erfolgt, zur Erzeugung leicht anzeigbarer
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elastischer Wellen in den Materialien führt· Darüber hinaus ist es bekannt, daß bei Bestrahlung bestimmter Materialien
mit einem gütegeschalteten Laserimpuls eine Stoßwelle und ein kontinuierliches Frequenzspektrum in den Materialien
erzeugt wirdο
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung einer hochfrequenten
Schallschwingung in Materialien duroh eine durch die Bestrahlung der Materialien mit einem moden-blockierten
Laser induzierte, kurzzeitige Erhitzung, um einen Satz diskreter harmonischer Schwingungen «u erzeugen· Die Erfindung
betrifft darüber hinaus die Erzeugung bisher nioht erzeugba rer kurzer akustischer Impulse·
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer hochfrequenten Schallschwingung einer diskreten Frequenz zu erzeugen, die eine äußerst hohe Frequenz und akustische Leistung
besitzt, wobei ein moden-blockierter Laser verwendet wird«
Erfindungsgemäß ist der Ausgang des Lasers,z.B. Feoäymglas,
modenblockiert, um eine Impulsfolge, d.h. im vorliegenden Fall eine Reihe jeweils in gleichem Abstand zueinander angeordnet
ter Impulse zu erzeugen· Die Impulse der Laserimpulsfolge
werden auf eine dünne absorbierende Schient z.B. aus Gold, Zinn oder Kupfer gerichtet, die auf die eine Stirnseite eines
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akustisohen Übertragermediume, z.B. eines Saphirkristalls
aufgebracht iet. Der Kristall ist vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Die durch die teilweise Absorption der laserimpulse
duroh die absorbierende Schicht verursachte thermische Spannung bewirkt das Bindringen kurzer akustischer Impulse
in den Kristall. Die akustischen Impulse besitzen diskrete Frequenzkomponenten, deren Grundfrequenz duroh die
Wiederholungsrate der Laserimpulse festgelegt ist und einen
. ■ * ■ ■ f|
hohen harmonischen Anteil. Die akustischen Impulse werden
einer Ausgange einrichtung ,wie js.B. einem Koaxialkabel duroh
einen Ausgangsübertrager zugeführt oder im Fall bestimmter Kristalle Über den Oberfläohen-piezoelektrisohen Effekt.
Der akustische Generator naoh der Erfindung benötigt keine
elektrischen Anschlüsse, da sogar der Empfang und die Anzeige der akustischen Wellen optisch durchführbar ist. Es ist
eine sehr hohe akustische Leistung erhältlich. Aufgrund des hohen harmonischen Anteils der optischen Impulsfolge sind ά
sehr hochfrequente Schwingungen erzeugbar. Die akustische Erzeugung ist gleichmäßig und breitbandig, wobei die Frequenzen
duroh Änderung der optischen Resonatorlänge des Lasers
geändert werden können· Ee sind sehr exakte Frequenzen erhältlich.
Darüber hinaus ist die gesamte Vorrichtung einfach und leicht herstellbar«
Zusätzlich zu den erfindungsgemäfi erzeugten Longitudinal- und
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Transversalwellen können auch Oberfläohenwellen erzeugt werden«
Bin erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel wird nachstehend
anhand der Zeichnung erläutert, die eine Vorrichtung zur Erzeugung hochfrequenter Schallschwingung sohematisoh darstellt.
Die Figur zeigt einen moden-blookierten Laser 10 mit reflektierenden
Endepiegeln 12 und 12·. Als laser kann ein Heodymglas,
Rubin, neodymdotiertes Yttrium-Aluminium-Granat od»r
ein anderer bekannter Laser verwendet werden, das sioh zur Erzeugung einer Reihe gleichmäßig beabstandeter ultrakurier
Liohtimpulse gewünschter Amplitude eignet« Der Laser kann
CW- oder Q-gesohaltet (gütegesohaltet) sein, um die gewünschte
Impulsfolge zu erzeugen· Die Pumpeinrichtung und sonstige
zum Betrieb des Lasers erforderliche Geräte sind nioht dargestellt.
Die Moden-Blockierung der Laser ist bekannt· Die Moden-Blookierung
kann mittels Farbstoffzellen oder duroh akustische Wellen erfolgen, um die Schwingungen der axialen Moden des Laser«·
resonators in Phase au blockieren· Zur Moden-Blookierung dient eine Farbstoff«eile 13· Eine Art der Moden-Blookierung eines
Lasers ist in der US-Patentanmeldung Ser.Nr· 552,315 (angemeldet
am 23. Mai 1966) beschrieben. Der moden-blookierte Laser dient zur Erzeugung einer Reihe von Liohtimpulsen, ζ·Β·
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von 10~12 bis 1Cf*11 Sekunden Dauer, die durch die optische
Zirkulationszeit des laaer-Rückkopplungsresonators jeweils
gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen, tfbliohe Impulsfolgen
besitzen einen Abstand von oa· 5 NanoSekunden, was
einer Impulsrate von 200 MHz entspricht· Die durohsohnitt«
liohe Energie eines Einzelimpulses beträgt etwa 1 Millijoule*
Eine volle Impulsfolge enthält 100 bis 150 Einzelimpulse, wobei die Impulsfolgedauer zwisohen etwa 0,4 und
0,6 /αseo. schwankt« Λ
Die Impulse der Impulsfolge des lasers werden auf eine dünne
absorbierende Schioht 14 gerichtet· Diese Schicht 1st.-vorzugsweise mit einem akustischen Übertragungsmedium,wie z.B·
einem Kristallstab 16 verbunden oder auf diesem niedergeschlagen» Im allgemeinen betragen die geometrischen Abmessungen
des aus IdITbO, gefertigten Stabes 16 15 mm χ 5 mm χ 5 mm»
Der Stab kann auch aus Glas, Quarz, Saphir oder aus einem beliebigen anderen Material gefertigt sein» das akustische
Wellen überträgt» In einigen Anwendungen ist die Schicht zwi·· ™
sehen zwei Kristalle gefügte Sin einkristallines Material ist
bevorzugt, jedoch nioht unbedingt erforderlich» Es kann eine
Flüssigkeitszelle verwendet werden. Zur optischen Anzeige der akustischen Wellen ist ein optisch durohlässiger Kristall
bevorzugt« Die dünne metallische Schicht besteht im allgemeinen aus Gold, Zinn, Kupfer oder Silber· Es sind auch andere
Elemente oder Verbindungen und Nichtmetalle wie Halbleiter
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BAD
oder kristalline Materialien verwendbar, die eine geeignete
Temperaturänderungsrate besitzen und in einigen fällen besonders
geeignet sind· Eine auf einen LitfbO~-Kristall aufgebrachte
1,2 Mikron dicke Goldsohlcht erweist sich als
geeignet. Die Schicht muß optisch absorbierend wirken · Ihre Dioke ist nur duroh die Wellenlänge der zu absorbierenden
Welle begrenzt, d.lu daS die Schichtdicke <£ 1/2 Wellenlänge-der
Schallwelle sein soll·
Die duroh die teilweise Absorption der Impulse der Laserimpulsfolge duroh die Metallschicht verursachte thermische
Spannung bewirkt die Ausstrahlung Ton kurzen diskreten akustischen Impulsen in das Kristallstab-Innere· Die akustische
Impulsfolge besitzt eine Grundfrequenz, die der Frequenz der Impulswiederholungsrate der Laseriapulsfolge gleich ist*
Die erzeugte akustische Impulsfolge wird im Kristall vor- und zurückgestrahlt und besitzt eine Dauer, die der Länge der
Laser-Impulsfolge entspricht« Da die einzelnen Laserimpulse
insbesondere in bezug auf ihre"Wieäerholungszeit eine sehr
kurze Dauer aufweisen, enthalten die akustischen Wellen einen hohen harmonischen Anteil· Sei Verwendung einer auf einen
LiFbO,-Kris tall aufgebrachten Gold schicht wurden bei Zimmer-· temperatur bei 2 GHz liegende Echos der zehnten Harmonischen
beobachtet· Es sind Schwingungen mit erheblich · höheren Fre-
11 12
quenzen bis zu 10 bis 10 Hz erzeugbar, wobei es möglich
sein dürfte, Sohallfrequenzen einer Höhe von I a* 1^T zu
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OWOWAt
Ir-Si
erzeugen, wobei mit Δ.Τ die Laserimpulsbreite bezeichnet ist·
Be wurden akustische Wellen mit 40 db über dem Geräuschpegel
beobachtet, die streng auf die Oberschwingungsfrequenzen der Lasesimpuls-Wiederholungsfrequenz begrenzt sind. Die
akustischen Frequenzen sind durch eine Justierung der Laserresonatorlänge, d.h· durch Änderung des Abstandes zwischen
den Spiegeln 12 und 12* mühelos änderbar·
Bit la Kristall 16 erzeugten akustischen Impulse können durch
•inen elektrischen Übertrager 18, z»S· durch Kadaiumeulfid,
das auf die von der Metallschicht abgekehrte Stirnseite des
Kristalle 16 aufgebracht ist, in eine Ausgabeeinrichtung ein·
gespeist werden* LiNbO,- odor Quarzkristalle benötigen keinen
getrennten Auegangeübertrager, da diese Kristalle gleichzeitig ale «in Yerzögerungsmedium und als ein piezoelektrischer
Übertrager wirken· In dieser Betriebeart kann «in· koaxiale
Mikrowellenleitung unmittelbar an den Kristall 16 angeschaltet
werden, um die akustischen Impulse zu übertragen· Die
hohe piezoelektrische Oberfläohenkopplung des LiHbO« schließt
ebenfalls die relativ schmale Bandbreite von Übertragern wie Quarz- oder CdS-Sohiohten aus, die in Resonanzfrequenz arbeitende
Dickenschwinger sind·
Berechnungen zeigen, daß die durch die Absorption eines Laeeriapulsee
eines üblichen gütegeschalteten Rubin-Lasers erzeug·
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■· ^j ··
ten thermisohen Gradienten 10 Grad/cm bei einer Temperaturänderungsrate von 10 Grad/Sekunden betragen können· Es
hat sioh darüber hinaus gezeigt, daß der Wirkungsgrad der Umwandlung, d.h. der Grad, in dem Sohall duroh kurzzeitige
Oberfläohenerhitzung erzeugt wird, sioh linear mit der Aufstreifenden Spitzenleistungsdiohte ändert und umgekehrt pro«·
portional zur ersten Leistung der Schallschwingung ist· Ss
wird daher angenommen, daß die beobaohteten akuetieohen Wellen
in der Handzone der dünnen metallischen Sohloht thermisch erzeugt werden, in der die Energie der !»aserimpulee absorbiert
wird· Die optische Energie muß daher in einem Bereioh absorbiert werden, der im Vergleich zur gewünsohten akustisohen
Wellenlänge dünn ist« Eine dünne Schicht, die auf ein-träne··
parentes oder semi-transparentes, akustische Wellen übertragendes Medium aufgebracht ist, absorbiert die einfallende
Strahlung in erforderlichem MaSe·
Der hohe harmonische Anteil der akustisohen Wellen zeigt an, daß die akustisohen Impulse Anstiegszeiten aufweisen, die erheblich kleiner als eine NanoSekunde und kleiner als 0,5
NanoSekunden sind, wobei der Impulsabstand 5 NanoSekunden beträgt· Duroh die Absorption der sehr kurzen Laeerimpulse hoher
Intensität werden daher steile und kurze akustische Impulse erzeugt. Das räumliche Ausmaß (spatial extent) der akustischen
Impulse beträgt etwa 1
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Zur Erzeugung von akustischen Impulsen niedrigerer lequens
erübrigt sich das Aufbringen von dünnen Schichten auf die
Stäbe oder Blöcke. Bei Verwendung von Materialien wie rostfreiem Stahl, Niokel und Germanium, die weniger leicht zerstörbar
sind als dünne Schichten, können bei jeder beliebigen diskreten Frequenz äußerst hohe Energien in das Material
eingeführt werden·
Zur Erzeugung einer lapulsrate von 60 MHz wurde ein aus Neodymglas
gefertigter, atabförmiger Laser von 1 m Länge in ■
einem 2,44 m langen Resonator moden-blookiert. Die Energie
der gesamten moden-blookierten Impulsfolge betrug bei einer
mittleren Energie von 0,2 Joule pro Impuls 20 bis 50 Joule.
Dieser hoohenergetisohe Laser erzeugte sehr intensive akustische Impulse in den Stäben· In einem Fall zerstörte der durch
den unfokuasierten Laserstrahl erzeugte akustische Druck einen
oa· 5 cm langen Stab aus geschmolzenem Quars vollständig«.
Bei 60 MHz wurden in Proben aus rostfreiem Stahl und Germanium reflektierte Schallwellen erzeugt· Die erzeugte Energie übertrifft die Energie, die duroh übliche Übertrager injiziert
werden kann«
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Claims (10)
1. Verfahren zur Erzeugung hochfrequenter Schallschwingung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polge jeweils im gleichen
Abstand voneinander angeordneter phasenblookierter, optischer
Impulse erzeugt wird und daß ein akustisohes Ober« tragungsmedium (16) mit den Impulsen dieser Impulsfolge
bestrahlt wird»
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Bereich des akustischen Übertragungsmediums (16) mit einer dünnen metallischen Schicht (14) verbunden wird
und daß die dünne metallische Schicht mit den Impulsen der Impulsfolge bestrahlt wird·
3· Vorrichtung zur Erzeugung hochfrequenter akustischer Wellen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 12, 12', 13)
zur Erzeugung einer Folge phasenblockierter optischer Im·» pulse, ein akustisches Übertragungsmedium (16) und durch
eine Einrichtung zur Bestrahlung des akustisohen Übertra» gungsmediums mit den Impulsen der optischen Impulsfolge·
4e Vorrichtung nach Anspruoh 3, gekennzeichnet durch eine auf
das akustische Übertragungsmedium (16) aufgebrachte und
durch die optische Impulsfolge bestrahlte dünne Schicht (H).
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BAD
5· Vorrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die dünne Schicht (14) aus Metall gefertigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruoh 5, dadurch gekennzeichnet, daß als akustisches Übertragungsmedium (16) ein kristalliner
Stab dient, mit dessen einer Stirnseite die metallische Sohioht (14) mechanisch verbunden ist«
·''■■■ 7· Vorriohtung naoh einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das akustische Übertragungamedium
(16) aus einem optisch transparenten Material besteht·
8» Vorriohtung nach Anspruoh 3 oder 7>
dadurch gekennzeichnet, daß aur Übertragung der akustischen Wellen auf eine
Ausgabevorrichtung eine Ausgabeeinrichtung (18) mit dem
akustischen Übertragungsmedium (16) verbunden ist*
9. Vorriohtung nach Anspruoh 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß als Einrichtung (10, 12, 121, 13) zur Erzeugung einer
Folge von. phasenblookierten optischen Impulsen ein moden«
blockierter Laser dient·
10. Vorriohtung naoh Anspruch 9 mit jeweils in gleichem Abstand
voneinander angeordneten optischen Impulsen, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Wellen eine der Wie«·
derholungsfrequen« der Laserimpulse gleiche Frequenz aufweisen»
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11· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als akustisches Üb ertragung smed ium (16) tin piezo··
elektrischer Krletall dient·
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