DE2709686C2

DE2709686C2 - Optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings

Info

Publication number: DE2709686C2
Application number: DE2709686A
Authority: DE
Inventors: Erik Dr. 5000 Köln Primbsch
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1977-03-05
Filing date: 1977-03-05
Publication date: 1982-09-09
Also published as: US4180324A; JPS53110549A; DE2709686A1; JPS5751042B2

Description

Meßstrahl durchläuft, die der halben Periode —/"der

Ultraschallwelle mit der Ultraschallfrequenz f entspricht und der Referenzstrahl danach im Lichtempfänger zur Erzeugung eines der Auslenkung entsprechenden resultierenden Signals hinreichend deckungsgleich zum Meßstrahl abgebildet wird und die Winkelbedingung

a <

λ/2

(mit α = Divergenzwinkel des empfangenen Streulichtes, J — Durchmesser der Photozelle, λ = Lichtwellenlänge) erfüllt, nach Patentanmeldung P 24 57 253.0, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstrecke zur Verzögerung des Referenzstrahles gegenüber dem Meßstrahl als ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge des Lüsers vorgegeben wird.

2. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Ultraschallprüfung von hocherhitztem und/oder schnelldurchlaufendem Gut

Optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings.

Die Erfindung betrifft ein optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings, bei dem die Prüflingsoberfläche durch einen Laserstrahl bestrahlt und der Laserstrahl an einem optischen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl, die relativ zueinander zeitverzögert sind, aufgespalten wird, die Bestrahlung der Priiflingsoberfläche vor der Strahlteilung erfolgt sowie der Referenzstrahl eine Verzögerungsstrecke der Länge s mit einer Verzögerungszeit gegenüber dem Meßstrahl

durchläuft, die der halben Periode —/'der Ultraschallwelle mit der Ultraschallfrequenz f entspricht und der Referenzstrahl danach im Lichtempfänger zur Erzeugung eines der Auslenkung entsprechenden resultierenden Signals hinreichend deckungsgleich zum Meßstrahl abgebildet wird,nach PatentanmeldungP 24 57 253.0.

Allerdings ist bei der Anwendung des in der Hauptanmeldung bezeichneten Verfahrens notwendig, den Laser nur in einer Mode (die Oberwellen werden in der Lasertechnik »Moden« genannt), schwingen zu lassen, damit die lange Verzögerungsstrecke zur Anpassung art die UHraschailfreqUenz keinen weiteren Bedingungen unterliegen muß. In einem Laser wird der Resonator in Oberwellen sehr hoher Ordnung betrieben; z. B. liegt bei einem Resonator von 500 mm Länge und bei einer Lichtwellenlänge von 500 nm die Ordnungszahl der Oberwellen in der Größenordnung von 10^s. Es ist eine prinzipielle Eigenart eines Lasers, daß allgemein die Oberwellen schwingen können, die innerhalb der Linienbreite des Laserprozesses liegen.

So hat ein handelsüblicher Argon-Ionen-Laser eine Emissionslinie bei 500 nm bei gegebenen Beiriebsbedingungen und eine Linienbreite in der Größenordnung von 5 GHz. Für den Frequenzabstand Af der axialen Moden gilt die Beziehung

Af =

c 2L

Hierin ist c die Lichtgeschwindigkeit im Resonatormaterial und L die Resonatorlänge. Im gegebene;¹ ?all wird /!/■=3 · 10⁸ Hz = 0,3 GHz. Bei diesem Argon-Ionen-Laser können also durch die Linienbreite gegeben maximal 16 axialen Moden angeregt werden. Die Praxis zeigt.

daß nicht sämtliche dieser möglichen Moden schwingen.

Bei der Interferenz mit einem Teilstrahl, der über eine

sehr lange Ver/ogerungsstecke. wie sie in diesem Verfahren notwendig ist, verzögert wird, ist nicht mehr gewährleistet, daß danach noch für sämtliche Moden die von der Kohärenzbedingung geforderte Phasenübereinstimmung vorhanden ist Bei einer derartigen starken Verzögerung eines Teilstrahles interferieren nicht alle Moden gleichsinnig und der Interferenzkontrast wird wesentlich verschlechtert. Unter Interferenzkontrast K versteht man das Verhältnis aus der Differenz der maximalen Imax und minimalen Lichtintensität /mm zur maximalen Lichtintensität

I' _ ")iu 'min
' max

Die Verminderung des Interferenzkontrastes bedeutet bei der Messung eine Empfindlichkeitseinbuße, da der Interferenzkontrast die Steilheit der Arbeitskennlinie des Interferometers, also die Abhängigkeit der Helligkeit von der Phasenänderung bestimmt. Phasenänderungen entstehen durch die von der Ultraschallwel-Ie verursachten Auslenkungen der Prüfstücksoberfläche und verursachen bei einem großen Interferenzkontrast große Helligkeitsänderungen, bei kleinem lnterferenzkontrjst jedoch nur entsprechend geringere Helligkeitsänderungen.

Beim Vorhandensein vieler Moden, die nicht mehr gleichsinnig interferieren, wird die Helligkeitsänderung (Empfindlichkeit) Imax-Imin, das Imin größer und Imax kleiner wird, geringer bei gegebenen Änderungen der Ultraschallwellenintensität Es ist deshalb notwendig, den Resonator des Lasers so zu betreiben, daß nur ein Mode schwingt, das bedeutet in der Lasertechnik einen Intensitätsverlust von 50% und mehr bezüglich der zur Verfügung stehenden Lichtintensität.

Fs ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen und den Laser optimaler als nach DE-PS 24 57 253 auszunutzen, d. h. innerhalb seiner zulässigen ■Betriebsdaten auf allen Moden schwingen zu lassen, Und diese einzusetzen, um eine maximale Ausgangsleistung, damit hohe maximale Lichtintensität nach der interfe* renz und gleichzeitig einen hohen Interferenzkontrast zu erreichen.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Verzögerungsstrecke zur Verzögerung des Referenz--

Strahls gegenüber dem Meßstrahl als ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge des Lasers vorgegeben wird.

Der Vorteil des Verfahrens, die Verzögerungsstrecke auf die Resonatorlänge des Lasers abzustimmen, ergibt sich aus folgender Betrachtung:

Beim Betrieb des Lasers bilden sich im Resonator stehende Wellen aus. Dabei haben alle Moden an den Resonatorspiegeln die gleiche Phase. Diese durch die Resonatorgeometrie erzwungene räumliche Phasenbeziehung zwischen den Moden bleibt in der nach außen abgegebenen Lichtwelle erhalten. Bringt man nun in einem Interferometer, z. B. nach Michelson zwei aus dieser Lichtwelle abgespaltene Teilstrahlen zur Interferenz, so ergeben alle Moden die gleiche Helligkeit, wenn der Gangunterschied derTeilstrahlen im Interferometer Null oder nur wenige Lichtweilenlängen beträgt, da dann der Phasenunterschied der Moden untereinander klein ist.

Der Interferenzkontrast liegt in diesem Fall nahe an dem Wert 1. Vergrcöert man den Gangunterschied der ι cu5u"äilicn ϊΐϊΐ ιΐϊί£ΐι2ϊ*ΟΠΐ0ίβΓ αϋΐ niCiir-SVC z^CniirnCtCr, ist der Phasenunterschied zwischen einzelnen Moden so weit angewachsen, daß einige bei der Interferenz, z. B. Helligkeit ergeben, während andere Moden beim gleichen geometrischen Gangunterschied Dunkelheit ergeben. Dadurch wird der Interfersnzkontrast verschlechtert. Wird der Abstand der Interferometerspiegel jedoch gleich einer Resonatorlänge, überlagern sich wieder alle Moden mit gleicher Phase. Der Interferometerkontrast erreicht wieder den Wert nahe 1. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch mit der Resonatorlänge, wenn man einen Interferometerspiege! verschiebt. Immer wenn der Abstand der Interferometerspiegel ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge

des zur Beleuchtung verwendeten Lasers ist, erreicht der Interferenzkontrast den maximalen Wert nahe 1.

Für das Laufzeit-Interferometer nach dem Hauptpatent DE-PS 24 57 253, bei dem der Gangunterschied mehrere Zehnerpotenzen der Lichtwellenlänge brtra-

gen muß, ist die Verzögerungsstrecke nun so zu bemessen, daß als Hauptbedingung die Verzögerungsstrecke einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlänge des Beleuchtungslasers entspricht Ist 2sdie Länge der Verzögerungsstrecke, gemäß Hauptanmeldung, η

ein» ganze positive Zahl und R die Resonatorlänge des Las. rs, ergibt sich die Forderung 2s= η ■ R. In der Gleichung ist η so zu wählen, daß die Bedingung für die benötigte Laufzeit, also die Anpassung dieser Strecke an die Schallfrequenz, optimal erfüllt wird. Das läßt sich für

jo die Anwendung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall gut erreichen, da für die verwendeten Frequenzen im Bereich einiger MHz Verzögerungszeiten von 50... 100ns erforderlich sind, während eine Resonatorlänge bei den üblichen Lasern

einer Laufzeit von I... 3 ns entspricht

Mit diesem Verfahren der Abstimmung der Verzögerungsstrecke auf die Resonatorlänge werden in vorteilhafter Weise sämrfiche zur Verfügung stehende Moden des Lasers für das interferometrische Verfahren zur Messung der Oberflächenauslenkung eines Prüfstükkes unter Ultraschalleiifluß ausgenutzt

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches interferometrisches Verfahren zur berührungslosen Messung der durch Ultraschallwellen verursachten Oberflächenauslenkung eines Prüflings, bei dem die PrüfUngsoberfläche durch einen Laserstrahl bestrahlt und der Laserstrahl an einem optischen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl, die relativ zueinander zeitverzögert sind, aufgespalten wird, die Bestrahlung der Prüflingsoberfläche vor der Strahlteilung erfolgt sowie der Referenzstrahl eine Verzögerungsstrecke der Länge s mit einer Verzögerungszeit gegenüber dem