DE3002620A1

DE3002620A1 - Verfahren zum beruehrungslosen optischen empfang von ultraschllwellen

Info

Publication number: DE3002620A1
Application number: DE19803002620
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Bickel
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DE3002620C2; US4345475A

Description

Krautkrämer GmbH - - " '..'■■■ " - - - 22. Januar 198o

•2 '

Luxemburger Str. 449 ™ Kw/bdl

5ooo Köln 41 K-1o7

VERFAHREN ZUM BERÜHRUNGSLOSEN OPTISCHEN EMPFANG VON ULTRASCHALLWELLEN.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch Beleuchten eines im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines frequenzstabilisierten Einmoden-Lasers, wobei das von einem Oberfläcaenanteil des Prüfstückes reflektierte und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmodulierte Licht durch einen Lichtfilter geführt und die Frequenz des Lasers so vorbestimmt wird, daß an einer Flanke des Lichtfilters eine Amplitudenmodulation erfolgt, die dann in einem Fotodetektor ein von der Ultraschallintensität abhängiges Signal erzeugt.

Es ist bekannt (DE-OS 27 1o 638) , das von einem Oberflächenanteil des Prüfstückes reflektierte und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmodulierte Licht durch einen Lichtfilter zu führen und die Frequenz des Lasers so vorzubestimmen, daß an einer Flanke des Lichtfilters eine Amplitudenmodulation erfolgt, die dann in einem Fotodetektor ein von der Ultraschallintensität abhängiges Signal erzeugt. Dabei wird zum Ultraschall-Empfang die Oberfläche des Prüfstückes mit Laserlicht beleuchtet. Die Oberflächenelemente des Prüfstückes bewegen sich im Takt des im Prüfstück vorhandenen Ultraschall-Druckfeldes mit einer Geschwindigkeit:, deren Maximalwert mit Schallschnelle bezeichnet wird, wodurch das reflektierto Laserlicht infolge des Dopplereffektes frequenzmoduliert-, ist. Als Flankend iskriminator zur Erzeugung einer Amplitudenmodulation des empfangenen und durch don Dopplereffekt frequenzmodulierten Laserlichtes wird ein Lichtfilter verwendet, dessen Absorptionsflankensteilheit für den Grad der Amplitudenmodulation maßgebend ist. Als Lichtfilter

130031/0261

werden gasgefüllte Absorptionszellon benutzt, die nach dem Stand der Technik Gase unter geringem Druck enthalten. So ist z.B. für ein Laserlicht mi L einer Wellenlänge von 514,5 nm als Gas für die Ab.sorption.szelle der Dampf

127 . 129

von Jod J„ oder des Jodisotops J„ unter geringem Druck geeignet. Nachteilig ist, daß dieses Gas in der Nähe der genannten Wellenlänge und bei Raumtemperatur einen Absorptionsbereich mit einer Bandbreite in der Größenordnung von 1 GHz hat. Um eine Amplitudenmodulation von ca. 1% zu erhalten, also eine Intensitätsschwankung des Lichtes in der Größenordnung von 1%, müßte der Frequenzhub im empfangenen Laserlicht in der Größenordnung der 1o MHz liegen. Die Frequenzmodulation des reflektierten und empfangenen Laserlichtes durch den Dopplereffekt infolge der Schwingungen der Oberflächenelemente des Prüfstückes unter dem Einfluß der Ultraschall-Druckwelle ist aber bei den in der Werkstoffprüfung angewendeten Frequenzen und Ultraschall-Intensitäten wesentlich geringer, wodurch sich nachteilig kleine Amplitudenmodulationen ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Vergrößerung der Flankensteilheit im Absorptionsbereich eines Lichtfilters, der als gasgefüllte Absorprionszelle ausgebildet ist, die bei gegebenem Frequenzhub erzielbare Amplitudenmodulation wesentlich zu erhöhen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.

Die breite Absorptionslinie einer gasgefüllten Absorptionszelle ist thermodynamisch durch die zur Aufrechterhaltung des Gaszustandes notwendige Temperatur, also durch die kinetische Energie der Atome und Moleküle, bedingt. Wird jedoch eine solche gasgefüllte Absorptionszelle in ihrem verhältnismäßig breiten Absorptionsbereich mit sehr schmalbandigem Laserlicht ausreichender Intensität bestrahlt, entsteht für den schmalen Frequenzbereich des Laserlichtes in der Absorptionsze1 Ic eine Sättigungserscheinung und in diesem schmalbandigon Bereich ist die Absorption weitgehend aufgehoben.

Bei der Absorption von Fotonen werden pro Zeiteinheit Atome oder Moleküle des beleuchteten Gasvolumens angeregt. Je mehr Atome oder Moleküle aber angeregt sind, um so weniger stehen für eine weitere Absorption zur Verfügung. Wird nun durch sehr starke Beleuchtung des Gasvolumens mit einer

- 4 ι O f! ρ 9 Ί / Π / ^ '?

entsprechenden Frequenz der .größte Anteil der Atome öder Moleküle angeregt, dann ist das. Absorptionsvermögen für einen anderen Lichtstrahl der entsprechenden Frequenz weitgehend aufgehoben. Die gasgefüllte Absorptionszelle wird also dann für diese Frequenzen lichtdurchlässig. Diese Betrachtung bezieht sich nur auf die Atome und Moleküle, die eine passende Geschwindigkeitskomponente in Richtung des eingestrahlten Lichtes besitzen. Die übrigen Atome und Moleküle nehmen mit ihrer der Temperatur entsprechenden kinetischen Energie am Sättigungsprozess nicht teil. Das bedingt, daß der gesättigte Bereich gegenüber dem Absorptionsbereich sehr schmal ist. In der Figur 2 ist das skizziert.

Es bedeuten:

Fig.1 Eine beispielhafte Anordnung von Prüfstück, Laser, Lichtfilter und Fotodetektor zur Durchführung des Verfahrens;

Fig.2 eine Absorptionskurve eines Lichtfilters mit gesättigtem Teilbereich;

Fig.3 eine Absorptionskurve eines Lichtfilters nach dem Stand der Technik;

Fig.4 eine beispielhafte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem einzigen Laser;

Fig.5 eine Absorptionskurve für ein in den Laserresonator angebauten Lichtfilter;

Fig.6 eine Absorptionskurve bei Berücksichtigung der Hyperfeinstruktur.

Es ist also vorteilhaft, den Arbeitsptinkt des Flankendiskriminators auf eine der steilen Flanken des gesättigten Bereiches des Lichtfilters zu legen, wie es folgend beispielhaft beschrieben wird.

130031/0261

In der Fig.2 ist der Punkt A ein solcher Arbeitspunkt. Daher erhält man bei gleichem Frequenzhub eine größere Amplitudenmodulation als bei einem Arbeitspunkt A der Fig.3 einer nicht im Teilbereich gesättigten Absorptionszelle.

In einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch beleuchtet gemäß Fig.1 ein frequenzstabilisierter Laser 1 mit einem Lichtstrahl 2 die Oberfläche 3 des Prüfstückes 4. Der gestreute Lichtstrahl 5 ist durch den Dopplereffekt mit der Ultraschallschwingung im Prüfstück frequenzmoduliert. Eine Sammellinse 6 bündelt das vom Oberflächenanteil 3 gestreute Laserlicht 5 und leitet es über den Lichtfilter 7 zum Fotodetektor 8. Der ebenfalls frequenzstabilisierte Einmoden-Laser 21 beleuchtet mit seinem Lichtstrahl hoher Intensität den Lichtfilter 7, ggfs. über Umlenkspiegeleinheiten, so daß der Lichtfilter 7 in Teilbereichen seiner Absorptionskurve gesättigt und somit in diesen Teilbereichen in seinem Absorptionsvermögen stark herabgesetzt wird; es ist ein solcher Bereich B in Fig.2 skizziert. Hierbei werden sehr hohe Forderungen an die Frequenzstabilität der Laser gestellt.

Zur Sättigung des Lichtfilters 7 kann auch vorteilhafterweise der die Werkstückoberfläche beleuchtende Laser 1, der sowieso genügend frequenzstabilisiert sein muß, mitverwendet werden. In Fig.4 ist eine derartige Anordnung beschrieben. Der Lichtstrahl 27 des fruquenzstabilisierten Einmoden-Lasers 1 wird durch den Lichtfilter 7, der eine mit Joddampf unter geringem Druck gefüllte Absorption.szelle sein kann, geführt. Der Lichtfilter wird in dem Teilbereich B seines Absorptionsbereiches 22 gesättigt. Bei ausreichender Laserleistung und geeigneter Dichte des Joddampfes, die mit der Temperatur einstellbar ist, tritt ein großer Teil des Lichtstrahles aus der Absorptionszelle wieder aus, erfährt im Frequenzschieber 24 eine konstante Frequenzverschiebung h f und beleuchtet die Oberfläche 3 des Prüfstückes 4. Das durch die Schallbewegung infolge des Dopplereffektes frequenzmodulierte Streulicht 5 wird durch eine Sammeloptik 6 und einer Umlenkspiegel anordnung 26 möglichst in gleicher Richtung wie der sättigende Lichtstrahl 27 durch don Licht Filter geführt. Mit einem Fotodetektor 8 wird eine elektrische Oröße z.B. eine elektrische Spannung, die von der Lichtintensität abhängi g isl, erzeugt. Die Frequonzverschiabung λ f wird so gewählt , daß der Arbeitspunkt des durch den Lichtfilter gebildeten

- 6 ¹ ¹X Γ Π 3 1 < O ') C\ ι

BAD ORIGINAL

■ .-■ t>
-'6

Flankendiskriminators an die steilste Stelle der Sättigungsflanke, Punkt A , zu liegen kommt. Dieser Arbeitspunkt bleibt wegen der konstanten Frequenzverschiebung A f erhalten, auch dann, wenn die Laserfrequenz driftet, so lange sie nur innerhalb der Absorptionslinie bleibt, was durch die Frequenzstabilisierung des Lasers gewährleistet ist. Der Frequenzschieber 24 läßt sich z.B. mit Braggzellen, mit Schwingspiegeln oder anderen an sich bekannten Mitteln aufbauen. Als Gas für die Absorptionszelle des Licht-

129 filters kann - wie schon angeführt - z.B. Dampf des Jodisotops J„ oder

J„ verwendet werden.

In einer Vereinfachung des Verfahrens kann der Frequenzschieber 24 fortfallen, die Frequenzverschiebung A- f ist dann 0, das bedeutet, daß die Frequenzen des empfangenen und des sättigenden Lichtes gleich sind, wodurch sich ein Arbeitspunkt auf dem Scheitel der Sättigungskurve ergibt. Jede Frequenzänderung des empfangenen Streulichtes führt dann auch zu einer Amplitudenmodulation, jedoch, mit einem Gleichrichtereffekt und geringerer Amplitude.

In einer Abwandlung des Verfahrens kann die Absorptionszelle 7 auch im Resonator des für die Sättigung benutzten Lasers angeordnet werden. Die im Resonator des Lasers herrschende sehr hohe Lichtintensität wird dabei zur Sättigung ausgenutzt. Da aber in diesem Resonatorraum zwischen den Resonatorspiegeln je eine hin- und zurückgehende Lichtwelle existiert, entstehen 2 Sättigungsbereiche symmetrisch zur Mitte der Absorptionslinie, die nur dann zusammenfallen, wenn der Laser auf Linienmitte abgestimmt ist. In Fig.5 ist dies durch die Bereiche B und B mit den Arbeitspunkten A„ und A, angedeutet. Entstehen durch die Hyperfeinstruktur im Gas der Absorptionszelle mehrere Sättigungslinien, wie es Fig.6 darstellt, dann ergeben sich entsprechend der Frequenzverschiebung /\ f mehrere Arbeitspunkte A_1o, A₁₁, A₁₂ usw.

Arbeitet der sättigende Laser auf mehr als nur einer Frequenz, so tragen alle in den Absorptionsbereich des Lichtfilters fallenden Laserfrequenzen mit ihren Sättigungsbercichen zur Amplitudenmodulation, also zur Bildung der elektrischen Signalgröße, bei.

130031/0261

Durch die schmalbandige Sättigung mittels ο ines f re.qucnx.stabi 1 i si «rtcn Einmoden-Lasers läßt sich in einem Lichtfilter, der aus einer Absorptionszelle besteht, ein schmalbandiger Sättigungseinbruch erzeugen, wodurch eine sehr steile Flanke entsteht, die einen besseren Arcplitudenmodulationsgrad ergibt als bei den viel flacher verlaufenden Flanken der Absorptionskennlinie einer nicht gesättigten Absorptionszelle.

139031 / π / B

Claims

Krautkrämer GmbH -'- " - " 22. Januar 198o Luxemburger Str. 449 . Kw/bdl 5ooo Köln 41 K-1o7 Patentansprüche

1.!Verfahren zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen ^-^ in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch Beleuchten eines im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines frequenzstabilisierten Einmodenlasers, wobei das von einem Oberflächenanteil des Prüfstückes reflektierte und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmodulierte Licht durch einen Lichtfilter geführt und die Frequenz des Lasers so vorbestimmt wird, daß an einer Flanke des Lichtfilters eine Amplitudenmodulation erfolgt, die dann in einem Fotodetektor ein von der Ultraschall-Intensität abhängiges Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet , daß die Werkstückoberfläche (3) durch einen ersten Lichtstrahl (2) beleuchtet wird,

daß das Gas des Lichtfilters (7) durch einen zweiten Lichtstrahl (23) so stark bestrahlt wird, daß der Lichtfilter (7) für die Frequenz oder die Frequenzen des zweiten Lichtstrahls (23) seine Absorptionseigenschaft weitgehend verliert und im ursprünglichen Absorptionsbereich (22) des Lichtfilters (7) mindestens ein Absorptionsteilbereich (B) mit steileren Flanken entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Lichtfilters (7) der für die Beleuchtung der Werkstückoberfläche (3) des Prüfstückes (4) verwendete Laser (1) mitbenutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtfilter (7) im Resonatorraum des einzigen Lasers (1) angeordnet ist.

1 3 0 Q 3 1 / π 2 S 1