JP2011521233A - Ｃｏ２レーザーおよび高調波生成を使用して超音波を生成するための改良型中赤外レーザー - Google Patents

Abstract

超音波検査のための中赤外領域レーザー光源は、１つ以上の高調波発生装置と連結した高エネルギーのレーザーを含む。高エネルギーレーザーは、ＣＯ_２レーザーであってもよく、単一波長でレーザー光線を放射するよう調整される。高調波発生装置は、最適な超音波検査のためにレーザービームを中赤外領域に変換する。

Description

本発明は、一般に非破壊検査の分野に関する。より詳細には、本発明は、二酸化炭素（ＣＯ_２）レーザーを使用し、ＣＯ_２レーザー出力の高調波を生成して、中領域の赤外線生成レーザービームを生成するためのシステムに関する。

複合材料の製造における最近の進展により、複合材料は多種多様な用途で使用されるようになってきた。高強度で高耐久、かつ低重量なため、複合材は、荷重がかかる特定の部品用の基材として、金属や合金の代わりに使用されつつある。例えば、複合材は、自動車、船舶、および航空機などの乗り物の本体部分や構造体として今や一般的に使用されている。しかし、複合材の機械的完全性を保証するには、厳しい検査が必要である。その検査は、通常、複合材を原材料とする部品の組み立て時や、部品の耐用期間中に定期的に必要である。

レーザー超音波は、複合材料から作られた物体の検査方法の一例である。この方法では、パルス生成レーザーを複合材の一部に放射することにより、複合材表面に超音波震動を発生させる。検出レーザービームは振動する表面に方向づけられ、表面の振動によって、拡散、反射、そして位相変調されて位相変調光を生成する。集光光学装置は位相変調されたレーザー光線を受け取り、処理のためにその光線を方向づける。処理は、一般的に集光光学装置に連結された干渉計によって行なわれる。複合材に関する情報は、位相変調光処理によって確認でき、この情報には、亀裂、層間剥離、孔隙率および繊維情報の検出が含まれる。複合材の対象物の分析に使用される、現在知られているレーザー超音波検知システムには、エネルギーおよび繰り返し率（周波数）に制限がある。対象表面では、中赤外線生成レーザービームの一般的なレーザービームエネルギー価は、約１０ヘルツ（Ｈｚ）の対応する周波数で約１０ミリジュール（ｍＪ）である。

本明細書では、高エネルギー生成レーザービームを使用した対象物の超音波検査方法であって、ＣＯ_２レーザービームを放射することと、ＣＯ_２レーザービームの高調波を生成することと、ＣＯ_２レーザービームの高調波を対象物に方向づけることと、対象物の表面を熱弾性的に励起して対象物上に超音波の変位を生じさせることと、超音波の変位を測定することとを含む方法を開示する。ＣＯ_２高調波は第２あるいは第３高調波でもよい。光ファイバーがＣＯ_２レーザービームに連結されていてもよい。対象物におけるＣＯ_２レーザービーム高調波エネルギーは、少なくとも５０ミリジュール、少なくとも７５ミリジュール、少なくとも１００ミリジュール、あるいは少なくとも１００Ｈｚとすることができる。対象物におけるＣＯ_２レーザービーム高調波周波数は、少なくとも２００Ｈｚ、あるいは少なくとも４００Ｈｚとすることができる。ＣＯ_２レーザービーム高調波波長は、約３ミクロンから約４ミクロンの範囲か、あるいは約３．２ミクロンとすることができる。

さらに、超音波検出システムを本明細書に開示する。一実施形態では、当該システムは、ＣＯ_２レーザーと、高調波ビーム生成システムと、ＣＯ_２レーザーから放射され、かつ高調波ビーム生成システムに方向づけられるＣＯ_２レーザービームと、高調波ビーム生成システムから放射されかつ対象物に方向づけられるＣＯ_２レーザービームの高調波ビームとを含む。一実施形態では、高調波ビームは、対象物の一部を熱弾性的に拡張させ、それにより対象表面に変位を生じさせ、また、検出システムは、変位で方向づけられる検出ビームをさら含み、検出ビームはこの変位によって位相変調され、反射される。高調波発生システムは第２高調波発生器または第３高調波発生器でもよい。ＣＯ_２レーザーから放射されるＣＯ_２レーザービームエネルギーは、少なくとも約４．５ジュールまたは少なくとも約１ジュールとすることができる。対象における高調波レーザービームエネルギーは、少なくとも約５０ミリジュールまたは少なくとも約１００ミリジュールとすることができる。高調波レーザービームの波長は、約３ミクロンから約４ミクロンの範囲か、あるいは約３．２ミクロンとすることができる。

本発明の特徴および利点のいくつかについて説明してきたが、その他の特徴および利点は添付の図面を参照しながら説明を読み進めれば明らかになるであろう。

レーザー超音波検出システムの概略図である。 本開示に従った中領域の赤外線超音波レーザー光源の概略図である。 本開示に従った中領域の赤外線超音波レーザー光源の概略図である。

本発明を好ましい実施形態に関連づけて説明するが、それにより本発明をその実施形態に限定することを意図するものではないことが理解されよう。反対に、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲に含められ得るすべての代替形態、修正形態および均等物が含まれるように意図されている。

以下、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照しながら、より詳細に本発明を説明する。ただし、本発明は様々な形態で具現化することができ、本明細書に説明され、かつ図示される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。もっと正確に言えば、これらの実施形態は、本開示を完璧かつ完全なものとし、当業者に発明の範囲を十分に伝えるために提供されている。全体を通して、同様の参照符号は同様の要素を指す。添付の図面を参照する際の便宜上、方向を表す用語は参照および例示のためのみに使用される。例えば、「上部の」「下部の」「上の」「下の」といった、方向を表す用語などは相対的な位置を示すために使用されている。

当業者には修正形態や均等物が明らかであるため、本発明が、構造、動作、正確な材料、あるいは図示および説明される実施形態の詳細に限定されるものではないことは理解されるはずである。図面と明細書では、本発明の例示的な実施形態が開示されており、特定の用語が使用されるが、それらは限定のためではなく一般的かつ記述的な意味でのみ使用される。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

図１は、レーザー超音波検出システム１０の一実施形態の側面斜視図である。検出システム１０は、生成ビーム１４を放射するように形成され、検査対象１５に方向づけられるレーザー超音波ユニット１２を含む。生成ビーム１４は、検査表面１６上の検査対象１５と接触する。生成ビーム１４は、検査表面１６を熱弾性的に拡張させ、対応する変位波１８を検査表面１６上に生成する。一実施形態では、生成ビーム１４は、検査表面１６上の変位波１８を生成するよう構成されたパルスレーザーである。レーザー超音波ユニット１２から放射されている検出ビーム２０も図示されており、生成ビーム１４の周囲に同軸で示されている。同じレーザー超音波ユニット１２から放射されているが、検出および生成ビーム（１４および２０）は異なる光源で生成される。しかし、検出ビーム２０は、任意で、別のユニットならびに別の位置から生じていてもよい。既知のように、検出ビーム２０は拡散し、反射し、変位波１８と接触して位相変位して位相変調光２１を形成する検出波を含む。したがって、検出ビーム２０からの位相変調光２１は、集光光学装置２３によって受け入れられ、検査対象１５に関する情報を特定するために処理される。検査表面１６全体に関する情報を得るために、生成および検出ビーム（１４および２０）を検査対象１５全体で走査してもよい。ビーム（１４および２０）を走査するために使用される機構（図示せず）は、レーザー超音波ユニット１２内に収容されていてもよい。機構を制御するため、および任意で集光光学装置によって記録されたデータを処理するためのプロセッサ（図示せず）も、レーザー超音波ユニット１２内に収容されていてもよい。集光光学装置２３はレーザー超音波ユニット１２とは別に、矢Ａ_１のとおりにレーザー超音波ユニット１２と通信している状態で示されているが、集光光学装置はレーザー超音波ユニット１２に含まれていてもよい。

ここで図２を参照すると、中赤外レーザーシステム３０の一例が概要的に示されている。システム３０は、図１の生成ビーム１４として使用し得る中赤外ビームを生成する。中赤外レーザーシステム３０は、ＣＯ_２レーザービーム４４を形成するために使用されるＣＯ_２レーザー３２を含む。ＣＯ_２レーザー３２内には、ＣＯ_２レーザー３２内に動作可能に配置された鏡３４および出力カプラー３８が概略的に示されている。空洞３６が鏡３４と出力カプラー３８との間に設けられている。ＣＯ_２レーザー３２へ入力されたエネルギーによって、鏡と出力カプラー３８の反射面が動作可能に連結されていることと相まって、これら２つの反射面間にビームが生成される。回折格子４２が空洞３６内に設けられており、特定の波長の光子がそこを通過できるように構成されている。したがって、空洞３６内の回折格子４２は、空洞３６に単一波長ビーム４０を形成する。

単一波長ビーム４２の光子の一部が出力カプラー３８を通ってＣＯ_２レーザー３２から抜け出し、ＣＯ_２ビーム４４を形成する。図２の実施形態は、ＣＯ_２ビーム４４の経路に配置された高調波発生器４６を示している。高調波発生器４６は、ＣＯ_２ビーム４４を高調波に変換して、高調波発生器４６から放射される高調波ビーム４８を生成する。任意で、生成ビーム１４の生成および方向づけのために、高調波ビーム４８を受け入れる光ファイバー５４が示されている。高調波ビーム４８は、ＣＯ_２ビーム４４の基本波長の第２高調波であってもよい。任意で、高調波ビーム４８は、第３高調波すなわちＣＯ_２ビーム４４の基本波長の他の高調波であってもよい。

図３は、ＣＯ_２ビーム４４が２つ以上の高調波発生器で調整される、中赤外レーザーシステム３０ａの他の実施形態を示す。図３では、ＣＯ_２ビーム４４は、ＣＯ_２ビーム４４を第２高調波に変換する第２高調波発生器４７に方向づけられており、これにより第２高調波ビーム４９が生成される。第２高調波ビーム４９は、ＣＯ_２ビーム４４の基本波長の第３高調波と実質的に等しい波長を有する第３高調波ビーム５２を放射する第３高調波発生器５０に方向づけられている。図３の実施形態は、図示した２つの高調波発生器に制限されず、レーザービームの経路に追加の高調波発生器を含むことができる。第３高調波ビーム５２も、レーザー超音波光源１２から放射される図１の生成ビーム１４として使用することができる。第３高調波発生器５０は、直接変換によって、あるいは基本波長を変換してそれを第２高調波波長と混合し、ＣＯ_２レーザービームの基本波長の第３高調波を形成することによって、ＣＯ_２レーザービーム４４の第３高調波を生成することができる。

本明細書に開示した検出または検査システムの一実施形態では、約３ミクロンから約５．５ミクロンの範囲内の波長を有するように、ＣＯ_２レーザービームを調和的に処理することができる。任意で、ＣＯ_２レーザービームは中赤外領域のすべてにおける波長を有することができる。任意で、ＣＯ_２レーザービームは約３ミクロンから約４ミクロンの波長を有することができる。任意で、ＣＯ_２レーザービームは約３．２ミクロンの波長を有することができる。

対象物の超音波変位検査に使用されるレーザービームの形成にＣＯ_２レーザーを使用することで得られる多くの利点のうちの１つは、ＣＯ_２レーザーを使用して得られる高エネルギーである。増加したエネルギーは、高い振幅によってそれに応じて変位を生成する。これにより、記録されたテストデータにおいて、より離散的な測定値および精度が得られる。

ＣＯ_２レーザーは、その波長が約９ミクロンから約１１ミクロンの範囲に及び、通常の波長が約１０．６ミクロンのビームを生成する。この波長のレーザービームは、複合材料に方向づけられた場合に、複合材表面にレーザービームエネルギーを集結させる光学的深さが比較的浅くなる。あまりにも多量のエネルギーが表面に放射されるか、長時間ビームを表面に接触させ続けると、複合材はＣＯ_２レーザーによって損傷する場合がある。しかし、中赤外領域のレーザービーム、つまり約３ミクロンから約４ミクロンのレーザービームは、光学的深さがより深いため、表面の焼灼の危険を伴わずに、より多くのレーザーエネルギーを複合材表面に放射できる。したがって、ＣＯ_２ビーム高調波を使用した複合材のレーザー超音波検査の更なる利点は、検査表面上のより高い振幅変位に対応する、より高いエネルギーレベルでレーザービームを使用することができるということである。

ＣＯ_２レーザー３０は、対応するレーザービーム４４を様々なエネルギー価で放射するように設計できる。ＣＯ_２レーザー３０は少なくとも１ジュールから最大約４．５ジュールまでのエネルギー価、および約４．５ジュール超のエネルギー価を実現するように設計できる。さらに、ＣＯ_２レーザー３０を、その対応するビーム４４が１ジュールから４．５ジュールまでの任意のエネルギー価となるように構成することができる。したがって、高調波発生器の変換効率に応じて、対象表面と接触する生成ビームのエネルギー価は、現在市販されている超音波レーザー検査システムの１０ミリジュールの現在値の倍数とすることができる。したがって、本明細書に開示した方法およびシステムは、対象表面との接触点での値が少なくとも約５０ミリジュール、少なくとも約７５ミリジュール、少なくとも約１００ミリジュール、および少なくとも約３００ミリジュールの生成レーザービームを提供できる。さらに、生成ビーム１４の周波数は、現在利用可能な１０Ｈｚよりも高くすることができる。周波数値は、少なくとも約１００Ｈｚ、少なくとも約２００Ｈｚ、少なくとも約３００Ｈｚ、少なくとも約４００Ｈｚ、少なくとも約５００Ｈｚ、および少なくとも最大約１０００Ｈｚとすることができる。

一実施形態では、高調波発生器（４６、４７、５０）は水晶でもよく、臨界位相整合または疑似位相整合形態でもよい。一例において、水晶は、化合物：ＡｇＧａＳ_２、ＡｇＧａＳｅ_２、ＧａＡｓ、ＧａＳｅ、ＺｎＧｅＰ_２（ＺＧＰ）、ＡｇＧａ１−ｘｌｎｘＳｅ_２、Ｔｌ_３ＡｓＳｅ３（ＴＡＳ）、ＣｄＧｅＡｓ_２（ＣＧＡ）およびそれらの組み合わせから作られていてもよい。

ＣＯ_２レーザーによって形成されたレーザー超音波検査用の高調波レーザービームを使用するもう１つの利点は、高調波レーザービームが対象物の検査中に複合材表面を損傷する可能性が少ないことである。さらに、ＣＯ_２レーザーの高エネルギーを使用して対象表面内に、より高くかつより容易に測定可能な変位を生成することができる。さらに別の利点は、レーザービームの高い伝達率を得るためにＣＯ_２レーザービームをファイバー光学装置と連結することができることである。

したがって、本明細書に記載した本発明は、目的を果たし、かつ言及した目標および利点ならびに本発明に固有の他のものを達成するように十分構成されている。開示の目的のために、本発明の現時点で好適な実施形態について説明してきたが、所望の結果を達成するための手順の詳細に多数の変更点が存在する。これらの修正および他の同様の修正自体は、当業者によって容易に提案されるものであり、本明細書に開示した本発明の趣旨および添付の特許請求項の範囲内に包含されるものである。

Claims (22)

1. 高エネルギー生成レーザービームを使用して対象物を超音波検査する方法であって、
   ＣＯ_２レーザービームを提供することと、
   前記ＣＯ_２レーザービームの高調波を生成することと、
   前記対象物に前記ＣＯ_２レーザービーム高調波を方向づけることと、
   前記対象物表面を熱弾性的に励起させて前記対象物上に超音波変位を生成することと、
   超音波変位を測定することと、
   を含む方法。
2. 前記高調波を生成するステップが、前記ＣＯ_２レーザービームの第２高調波を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記高調波を生成するステップが、前記ＣＯ_２レーザービームの第３高調波を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＣＯ_２レーザービームを光ファイバーに連結させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波エネルギーが少なくとも５０ミリジュールである、請求項１に記載の方法。
6. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波エネルギーが少なくとも７５ミリジュールである、請求項１に記載の方法。
7. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波エネルギーが少なくとも１００ミリジュールである、請求項１に記載の方法。
8. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波周波数が少なくとも１００Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
9. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波周波数が少なくとも２００Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
10. 前記対象物における前記ＣＯ_２レーザービーム高調波周波数が少なくとも４００Ｈｚである、請求項１に記載の方法。
11. 前記ＣＯ_２レーザービーム高調波波長が約３ミクロンから約４ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
12. 前記ＣＯ_２レーザービーム高調波波長が約３．２ミクロンである、請求項１に記載の方法。
13. ＣＯ_２レーザーと、
    高調波ビーム生成システムと、
    ＣＯ_２レーザーから放射され、前記高調波ビーム生成システムに方向づけられるＣＯ_２レーザービームと、
    前記高調波ビーム生成システムから放射され、対象物に方向づけられるＣＯ_２レーザービームの高調波ビームと、
    を含む超音波検出システム。
14. 前記高調波ビームによって前記対象物の一部を熱弾性的に拡張し、それによって前記対象表面に変位を生成する超音波検出システムであって、変位で方向づけられる検出ビームをさらに含み、前記検出ビームが変位によって位相変調され、反射される、請求項１３の超音波検出システム。
15. 前記高調波発生システムが第２高調波発生器を含む、請求項１３に記載の超音波検出システム。
16. 前記高調波発生システムが第３高調波発生器を含む、請求項１３に記載の超音波検出システム。
17. 前記ＣＯ_２レーザーから放射された前記ＣＯ_２レーザービームエネルギーが少なくとも約４．５ジュールである、請求項１３に記載の超音波検出システム。
18. 前記ＣＯ_２レーザーから放射された前記ＣＯ_２レーザービームエネルギーが少なくとも約１ジュールである、請求項１３に記載の超音波検出システム。
19. 前記対象における前記高調波レーザービームエネルギーが少なくとも約５０ミリジュールである、請求項１３に記載の超音波検出システム。
20. 前記対象における前記高調波レーザービームエネルギーが少なくとも約１００ミリジュールである、請求項１３に記載の超音波検出システム。
21. 前記高調波レーザービーム波長が約３ミクロンから約４ミクロンである、請求項１３に記載の超音波検出システム。
22. 前記高調波レーザービーム波長が約３．２ミクロンである、請求項１３に記載の超音波検出システム。

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