DE3002620C2 - Verfahren zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen - Google Patents

Description

küle 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 F i g. 2 ist das skizziert Es bedeutet

F i g. 1 eine beispielhafte Anordnung von Prüfstück, Laser, Lichtfilter und Fotodetektor zur Durchführung des Verfahrens;

Fig.2 eine Absorptionskurve eines Lichtfilters mit gesättigtem Teilbereich;

F i g. 3 eine Absorptionskurve eines Lichtfilters nach dem Stand der Technik;

F i g. 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 Arbeitspunkt des Flankendiskriminators auf eine der steilen Flanken des gesättigten Bereiches des Lichtfilters zu legen, wie es folgend beispielhaft beschrieben wird.

In der Fig.2 ist der Punkt A₁ ein solcher Arbeitspunkt. Daher erhält man bei gleichem Frequenzhub eine größere Amplitudenmodulation als bei einem Arbeitv punkt A der F i g. 3 einer nicht im Teilbereich gesättigten Absorptionszelle.

In einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach dem Hauptanspruch beleuchtet gemäß Fi g. 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 S in F i g. 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 F i g. 4 ist eine derartige Anordnung beschrieben. Der Lichtstrahl 27 des frequenzstabilisierten Einmoden-Lasers 1 wird durch den Lichtfilter 7, der eine mit Joddampf unter geringem Druck gefüllte Absorptionszelle sein kann, goführt Der Lichtfilter wird in dem Teilbereich B seines Absorp- t,o tionsbereiches 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 Δ /"und beleuchtet die Oberfläche 3 des Prüfstückes 4. Das durch die Schallbewegung infolge des Dopplereffektes freauenzmodulierte Streulicht 5 wird durch eine Sammeloptik 6 und einer Umlenkspiegelanordnung 26 möglichst in gleicher Richtung wie der sättigende Lichtstrahl 27 durch den Lichtfilter geführt Mit einem Fotodetektor 8 wird eine elektrische Größe z. B. eine elektrische Spannung, die von der Lichtintensität abhängig ist, erzeugt Die Frequenzverschiebung Δ f wird so gewählt, daß der Arbeitspunkt des durch den Lichtfilter gebildeten Flankendiskriminators an die steilste Stelle der Sättigungsflanke, Punkt A_u zu liegen kommt Dieser Arbeitspunkt bleibt wagen der konstanten Frequenzverschiebung Δ 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 Lichtfilters kann — wie schon angeführt — z. B. Dampf des Jodisotops ^!29/₂ oder ™J₂ verwendet werden.

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 F i g. 5 ist dies durch die Bereiche S₁ und B₂ mit den Arbeitspunkten A₃ und A4 angedeutet. Entstehen durch die Hyperfeinstruktur im Gas der Absorptionszelle mehrere Sättigungslinien, wie es F i g. 6 darstellt, dann ergeben sich entsprechend der Frequenzverschiebung Δ /mehrere Arbeitspunkte Aio, Au, A_i2 usw.

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

Durch die schmalbandige Sättigung mittels eines frequenzstabilisierten 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 Amplitudenmodulationsgrad ergibt as bei den viel flacher verlaufenden Flanken der Absorptionskennlinie einer nicht gesättigten Absorptionszelle.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Frequenz des Lasers so vorzubestimmen, daß an einer Patentansprüche: Flanke des Lichtfilters eine Amplitudenmodulation er folgt, die dann in einem Fotodetektor ein von der Ultra-

1. Verfahren zum berührungslosen optischen Schallintensität abhängiges Signal erzeugt Dabei wird Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungs- s zum Ultraschall-Empfang die Oberfläche des Prüfstükfreien Werkstoffprüfung durch beleuchten eines im kes mit Laserlicht beleuchtet Die Oberflächenelemente Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflä- des Prüfstückes bewegen sich im Takt des im Prüfstück chenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines vorhandenen Ultraschall-Druckfeldes mit einer Geersten frequenzstabilisierten Einmodenlasers, wobei schwindigkeit deren Maximalwert mit Schallschnelle das von einem Oberflächenanteil des Prüfstücks re- io bezeichnet wird, wodurch das reflektierte Laserlicht inflektierte und durch den schallbedingten Doppleref- folge des Dopplereffektes frequenzmoduliert ist Als fekt frequenzmodulierte Licht durch einen gasgefüll- Flankendiskriminator zur Erzeugung einer Amplitudenten Lichtfilter geführt und die Frequenz des Lasers modulation des empfangenen und durch den Dopplerefgieich einer Frequenz an der Absorptionsflanke des fekt frequenzmodulierten Laserlichtes wird ein Lichtfil-Lichtfilters zur Amplitudenmodulation des fre- is ter verwendet dessen Absorptionsflankensteilheit für quenzmodulierten Lichtes gewählt wird und das am- den Grad der Amplitudenmodulation maßgebend ist plitudenmodulierte Licht in einem Fotodetektor ein Als Lichtfilter werden gasgefüllte Absorptionszellen bevon der Ultraschallintensität abhängiges Signal er- nutzt, die nach dem Slanü der Technik Gase unter gerin^zel-'St. gern Druck enthalten. So ist z. B. für ein Laserlicht mit

20 einer Wellenlänge von 514,5 nm als Gas für die Absorp-

dadurchgekennzeichnet, tionszelle der Dampf von Jod ^l27/₂ oder des Jodisotops

¹²⁹T₂ unter geringem Druck geeignet Nachteilig ist, daß

— daß das Gas des Lichtfilters (7) durch einen dieses Gas in der Nähe der genannten Wellenlänge und zweiten unmodulierten frequenzstabilisierten bei Raumtemperatur einen Absorptionsbereich mit ei-Laserstrahl (23) zur Verminderung der Absorp- 25 ner Bandbreite in der Größenordnung von 1 GHz hat tionseigenschaft des Lichtfilters (7) für die Fre- Um eine Amplitudenmodulation von ca. 1 % zu erhalten, quenz oder die Frequenzen dieses unmodulier- also eine Intensitätsschwankung des Lichtes in der Gröten Laserstrahls (23,27) bestrahlt wird, ßenordnung von 1 Vo, müßte der Frequenzhub im emp-

— daß die Frequenz des die Prüfstücksoberfläche fangenen Laserlicht in der Größenordnung der 10 MHz (3) beleuchtenden ersten Laserlichts zur Ampli- 30 liegen. Die Frequenzmodulation des reflektierten und tudenmodulation gleich der Frequenz des Ar- empfangenen Laserlichtes durch den Dopplereffekt inbeitspunktes des Flankendiskriminators an ei- folge der Schwingungen der Oberflächenelemente des ner der steilen Flanken (A 1) des gesättigten Prüfstückes unter dem Einfluß der Ultraschall-Druck-Bereichs des Lichtfilters gewählt wird, welle ist aber bei den in der Werkstoffprüfung ange-

35 wendeten Frequenzen und Ultraschall-Intensitäten we-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sentlich geringer, wodurch sich nachteilig kleine Amplizeichnet, daß der für die Beleuchtung der Prüf- tudenmodulationen ergeben.

Stücksoberfläche (3) verwendete erste Laserstrahl Die breite Absorptionslinie einer gasgefüllten Ab-(27) vor seiner Frequenzmodulation an der Prüf- sorptionszelle ist thermodynamisch durch die zur Aufstücksoberfläche als zweiter Laserstrahl zur Ab- 40 rechterhaUung des Gaszustandes notwendige Temperasorptionsverminderung des Lichtfilters (7) mit- tür, also durch die kinetische Energie der Atome und benutzt wird. Moleküle, bedingt Wird jedoch eine solche gasgefüllte

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Absorptionszelle in ihrem verhältnismäßig breiten Abzeichnet, daß der Lichtfilter (7) im Resonatorraum Sorptionsbereich mit sehr schmalbandigem Laserlicht des einzigen Lasers (1) angeordnet ist « ausreichender Intensität bestrahlt, entsteht für den Frequenzbereich des Laserlichtes in der Absorptionszelie

eine Sättigungserscheinung und in diesem Bereich ist

die Absorption weitgehend aufgehoben. Dieses Phänomen ist bekannt und z. B. von M. Hercher, Applied Op-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungs- 50 tics, Vol. 6, Nr. 5, Mai 1967, S. 947 bis S. 954, beschrieben losen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der worden. Hierbei ist es nachteilig, daß in diesem Bereich zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch beleuchten der aufgehobenen oder stark verminderten Absorption eines im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Ober- der Effekt der Amplitudenmodulation sehr klein und flächenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines er- von einem Gleichrichtereffekt überlagert ist sten frequenzstabilisierten Einmodenlasers, wobei das 55 Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Vergrößerung von einem Oberflächenanteil des Prüfstücks reflektierte der Flankensteilheit im Absorptionsbereich eines Licht- und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenz- filters, der als gasgefüllte Absorptionszelle ausgebildet modulierte Licht durch einen gasgefüllten Lichtfilter ge- ist, die bei gegebenem Frequenzhub erzielbare Amplituführt und die Frequenz des Lasers gleich einer Frequenz denmodulation wesentlich zu erhöhen, an der Absorptionsflanke des Lichtfilters zur Amplitu- 60 Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale denmodulation des frequenzmodulierten Lichts gewählt im Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst wird und das amplitudenmodulierte Licht in einem Fo- Bei der Absorption von Photonen werden pro Zeit-

todetektor ein von der Ultraschallintensität abhängiges einheit Atome oder Moleküle des beleuchteten Gasvo-Signal erzeugt. lumens angeregt. Je mehr Atome oder Moleküle aber

Es ist bekannt (DE-OS 27 10 638), das von einem 65 angeregt sind, um so weniger stehen für eine weitere Oberflächenanteil des Prüfstückes reflektierte und Absorption zur Verfügung. Wird nun durch sehr starke durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmo- Beleuchtung des Gasvolumens mit einer entsprechenduherte Licht durch einen Lichtfilter zu führen und die den Frequenz der größte Anteil der Atome oder Mole-