JPH08285820A - Laser-ultrasonic inspection apparatus - Google Patents

Laser-ultrasonic inspection apparatus

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Publication number
JPH08285820A
JPH08285820A JP7115169A JP11516995A JPH08285820A JP H08285820 A JPH08285820 A JP H08285820A JP 7115169 A JP7115169 A JP 7115169A JP 11516995 A JP11516995 A JP 11516995A JP H08285820 A JPH08285820 A JP H08285820A
Authority
JP
Japan
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sample
laser
light
laser light
laser beam
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP7115169A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Matsumoto
貴裕 松本
Kazuo Hayashi
一雄 林
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP7115169A priority Critical patent/JPH08285820A/en
Publication of JPH08285820A publication Critical patent/JPH08285820A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To provide a laser ultrasonic inspection apparatus by which the sensitivity of a Doppler shaft detection means and an S/N ratio after a photoelectric conversion are enhanced and by which an ultrasonic echo can be detected easily. CONSTITUTION: A laser beam 11 for excitation is incident on an intensity distribution uniformization part 33, it is passed through the part so as to be changed into a laser beam 11a whose spectral intensity distribution is uniform, and the laser beam is shone at a surface region 35 on a sample 15. Thereby, wide- band ultrasonic waves are generated in the sample. In addition, the region 35 becomes a mirror face state by the uniform laser beam 11 for excitation. When a laser beam 34a for a probe is emitted to the surface region 35 which has been irradiated with the laser beam 11a for excitation, the laser beam is reflected at a high reflectance because the region has been set to the mirror face state. Consequently, a laser beam 34b, for a probe, which is subjected to the Doppler shift due to an ultrasonic echo when it is reflected is incident on a Doppler shift detection part 31, and the Doppler shift can be detected with high sensitivity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光を用いて試
料内に超音波を発生させ、これを光学的に検出すること
によってその試料内部の状態を非接触で検知するレーザ
ー超音波検査装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ultrasonic inspection apparatus for detecting an internal state of a sample in a non-contact manner by generating an ultrasonic wave in the sample using a laser beam and optically detecting the ultrasonic wave. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検出する方法の
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれる方法
がある。これについては、例えば超音波TECHNO5
月号(vol.5, No.5, p38 (1993) 日本工業出版)におい
て詳述されている。レーザー超音波法は、レーザー光を
用いて超音波を検出するので、接触して検査することが
できない材料等の内部状態を調べる非接触の検査に用い
ることができる。このため、例えば製鉄工程における品
質検査、鉄骨加工における溶接の検査、セラミックス内
部の品質検査、航空機部品の内部検査、その他、金属、
複合材料の品質検査等への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art One of the methods for detecting internal defects of various materials is a so-called laser ultrasonic method. For this, for example ultrasonic TECHNO5
It is described in detail in the monthly issue (vol.5, No.5, p38 (1993) Nippon Kogyo Shuppan). Since the laser ultrasonic method detects an ultrasonic wave using a laser beam, it can be used for a non-contact inspection for examining an internal state of a material or the like which cannot be inspected by contact. Therefore, for example, quality inspection in steel making process, welding inspection in steel frame processing, quality inspection inside ceramics, internal inspection of aircraft parts, other, metal,
It is expected to be applied to quality inspection of composite materials.

【0003】図3は、このレーザー超音波法を用いたレ
ーザー超音波検査装置の一例の構成を示した概略ブロッ
ク図である。同図において、励起用レーザー10は、検
査対象となる試料の表面において超音波を励起させるた
めのレーザーで、比較的大きい出力のパルスレーザー光
を放射できるもの、例えばQスイッチYAGレーザーな
どが用いられる。励起用レーザー10から放射されたレ
ーザー光11は、ビームスプリッタ12、ミラー13、
14を介して、検査対象である試料15の表面に照射さ
れる。試料15の表面にレーザー光11が照射される
と、試料表面が瞬間的に蒸発し、そのときの熱的応力又
は蒸発反力によって広帯域の超音波が発生する。この超
音波は、試料内部を伝播して試料の裏面に到達し、ここ
で反射されたあと再びエコーとして試料表面に戻る。
尚、励起用レーザー10からのレーザー光の一部は、ビ
ームスプリッタ12によって、光検出器16に導かれて
検出され、オシロスコープ17のトリガー信号として用
いられる。
FIG. 3 is a schematic block diagram showing the configuration of an example of a laser ultrasonic inspection apparatus using this laser ultrasonic method. In the figure, an excitation laser 10 is a laser for exciting ultrasonic waves on the surface of a sample to be inspected, and a laser capable of emitting a pulsed laser beam having a relatively large output, for example, a Q-switch YAG laser is used. . The laser light 11 emitted from the excitation laser 10 is a beam splitter 12, a mirror 13,
The surface of the sample 15 to be inspected is irradiated via 14 When the surface of the sample 15 is irradiated with the laser light 11, the surface of the sample is instantaneously evaporated, and thermal stress or evaporation reaction force at that time generates a broadband ultrasonic wave. This ultrasonic wave propagates inside the sample, reaches the back surface of the sample, is reflected here, and then returns to the sample surface as an echo again.
A part of the laser light from the excitation laser 10 is guided to the photodetector 16 by the beam splitter 12 and detected, and is used as a trigger signal of the oscilloscope 17.

【0004】一方、励起用レーザー10とは別に設けら
れたプローブ光源20は、試料15の表面に戻ってきた
超音波エコーを検出するためのレーザーであり、例えば
周波数が安定な He-Neレーザーなどが用いられる。プロ
ーブ光源20から放射されたレーザー光21は、ミラー
22、偏光ビームスプリッタ23、1/4波長板24を
介して、試料15の表面のうち、励起用のレーザー光1
1が照射されている近傍に照射される。この反射光は、
1/4波長板24、偏光ビームスプリッタ23、レンズ
25を経て、ファブリ・ペロー干渉計26に入射する。
ファブリ・ペロー干渉計26を透過した光は、ホトダイ
オードなどからなる光検出器27によって電気信号に変
換される。この信号は、増幅器28によって増幅され、
低周波雑音を除去するためにハイパスフィルタ29を通
した後、オシロスコープ17に供給される。
On the other hand, a probe light source 20 provided separately from the excitation laser 10 is a laser for detecting ultrasonic echoes returning to the surface of the sample 15, for example, a He-Ne laser having a stable frequency. Is used. The laser light 21 emitted from the probe light source 20 passes through the mirror 22, the polarization beam splitter 23, and the quarter wavelength plate 24, and the laser light 1 for excitation on the surface of the sample 15
It is irradiated in the vicinity where 1 is irradiated. This reflected light is
The light enters the Fabry-Perot interferometer 26 via the quarter-wave plate 24, the polarization beam splitter 23, and the lens 25.
The light transmitted through the Fabry-Perot interferometer 26 is converted into an electric signal by a photodetector 27 including a photodiode. This signal is amplified by amplifier 28,
After passing through a high pass filter 29 to remove low frequency noise, it is supplied to the oscilloscope 17.

【0005】図4は、ファブリ・ペロー干渉計の共振器
長(横軸)を掃引させて He-Neレーザー光の光周波数を
測定した結果を示す概略図であり、図5は、図4の横軸
を拡大して示した概略図である。すなわち、透過光強度
がピークとなる共振器長が、He-Neレーザー光の波長ν
(632.8nm)に対応し、共振器長を変えると干渉計
の透過光強度がピークとなる波長も変わるため、νの波
長の透過光強度は低下する。この特性を利用して、 He-
Neレーザー光の波長νに対する透過光強度が図5のA’
点で示す値となるように、予めファブリ・ペロー干渉計
26の共振器長を調整しておき、試料15からの反射光
をこのファブリ・ペロー干渉計26に入射させる。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the result of measuring the optical frequency of He-Ne laser light by sweeping the resonator length (horizontal axis) of the Fabry-Perot interferometer, and FIG. It is the schematic which expanded and showed the horizontal axis. That is, the cavity length at which the transmitted light intensity reaches its peak is the wavelength ν of the He-Ne laser light.
Corresponding to (632.8 nm), when the resonator length is changed, the wavelength at which the transmitted light intensity of the interferometer peaks also changes, so the transmitted light intensity at the wavelength ν decreases. Utilizing this characteristic, He-
The transmitted light intensity with respect to the wavelength ν of the Ne laser light is A ′ in FIG.
The resonator length of the Fabry-Perot interferometer 26 is adjusted in advance so that the value becomes a value indicated by a point, and the reflected light from the sample 15 is incident on the Fabry-Perot interferometer 26.

【0006】試料の裏面で反射されてきた超音波エコー
によって試料15の表面が超音波振動すると、試料表面
の空間的位置はこの超音波の周期で変位する。したがっ
て、プローブ光源20からのレーザー光は、試料表面で
反射される際に、この変位に伴うドップラーシフトを受
け、波長が変動する。図5に示すように、試料15から
の反射光がドップラーシフトによって±Δν’の周波数
変化を受けると、それに伴って透過光強度は図のように
±ΔI’の変化を受ける。すなわち、試料15からの反
射光をファブリ・ペロー干渉計を通すことによって、波
長の変化を強度の変化に変換することができる。
When the surface of the sample 15 is ultrasonically vibrated by the ultrasonic echo reflected on the back surface of the sample, the spatial position of the sample surface is displaced in the cycle of this ultrasonic wave. Therefore, when the laser light from the probe light source 20 is reflected by the sample surface, the laser light undergoes a Doppler shift due to this displacement, and the wavelength changes. As shown in FIG. 5, when the reflected light from the sample 15 undergoes a frequency change of ± Δν ′ due to the Doppler shift, the intensity of the transmitted light also undergoes a change of ± ΔI ′ as shown in the figure. That is, the change in wavelength can be converted into the change in intensity by passing the reflected light from the sample 15 through the Fabry-Perot interferometer.

【0007】このため、試料15の表面および裏面で反
射を繰り返す超音波エコーが、表面に戻るたびに光検出
器27の出力信号は大きく変化する。この信号をオシロ
スコープ17上で、横軸に時間、縦軸に信号強度をとっ
て表示させると、試料内に欠陥がなければ、試料内の音
速と試料の厚さによって決まる一定の時間間隔で信号強
度が変化する。一方、試料内部に空洞や不純物などの欠
陥があると、超音波はこの欠陥部で反射され、上記の時
間よりも短い時間で信号強度が変化する。したがって、
この時間間隔を調べることにより、試料内部の欠陥の有
無を調べることができる。
Therefore, the output signal of the photodetector 27 greatly changes every time an ultrasonic echo repeatedly reflected on the front and back surfaces of the sample 15 returns to the front surface. When this signal is displayed on the oscilloscope 17 with time on the horizontal axis and signal intensity on the vertical axis, if there is no defect in the sample, the signal is output at fixed time intervals determined by the speed of sound in the sample and the thickness of the sample. The intensity changes. On the other hand, if there is a defect such as a cavity or an impurity inside the sample, the ultrasonic wave is reflected by this defect portion, and the signal intensity changes in a time shorter than the above time. Therefore,
By examining this time interval, it is possible to examine the presence or absence of defects inside the sample.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザー超
音波検査装置の検査対象が、例えば製鉄所の製鉄ライン
で加工されている途中の鋼材のようなものである場合、
その表面は、凹凸があったり酸化膜が付着した、いわゆ
る粗面状態となっている。このような表面にプローブ用
レーザー光を照射すると、光のうちの多くが散乱や吸収
を受けるため、反射光の割合、すなわち反射率が低下す
る。反射光が少ないと、折角反射光が試料表面の超音波
振動によってドップラーシフトを受けても、ドップラー
シフト検出手段における感度が低下して、光電変換後の
S/N比も低下し、超音波エコーを検出するのが困難と
なる。
By the way, when the inspection object of the laser ultrasonic inspection apparatus is, for example, a steel material in the process of being processed by an iron making line of an iron mill,
The surface is in a so-called rough surface state having irregularities or an oxide film attached. When such a surface is irradiated with probe laser light, most of the light is scattered or absorbed, so that the ratio of reflected light, that is, the reflectance is reduced. When the reflected light is small, the sensitivity of the Doppler shift detecting means is lowered and the S / N ratio after photoelectric conversion is lowered, even if the reflected light is subjected to the Doppler shift due to the ultrasonic vibration of the sample surface. Is difficult to detect.

【0009】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、ドップラーシフト検出手段の感度及び光電変
換後のS/N比が向上し、超音波エコーの検出が容易と
なるレーザー超音波検査装置を提供することを目的とす
るものである。
The present invention has been made based on the above circumstances, and the laser ultrasonic inspection in which the sensitivity of the Doppler shift detecting means and the S / N ratio after photoelectric conversion are improved and the ultrasonic echo can be easily detected. The purpose is to provide a device.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの請求項1記載の発明は、検査対象である試料の表面
に励起用レーザー光を照射して前記試料内に超音波を励
起させる励起用レーザー光照射手段と、超音波検出用の
プローブ光を、前記励起用レーザー光が照射されている
前記試料の部位に照射するプローブ光照射手段と、前記
試料でプローブ光が反射される際に受けるドップラーシ
フトを検出して光強度に変換するドップラーシフト検出
手段と、を具備することを特徴とするものである。
According to a first aspect of the invention for solving the above-mentioned problems, the surface of a sample to be inspected is irradiated with excitation laser light to excite ultrasonic waves in the sample. Excitation laser light irradiating means, probe light irradiating means for irradiating a probe light for ultrasonic wave detection to the portion of the sample irradiated with the excitation laser light, and when the probe light is reflected by the sample And a Doppler shift detecting means for detecting the Doppler shift received by the device and converting it into light intensity.

【0011】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、前記励起用レーザー光照射手段は、前記試
料に照射される励起用レーザー光の空間強度分布を均一
化する強度分布均一化手段を含んでいることを特徴とす
るものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the excitation laser light irradiation means uniformizes the spatial intensity distribution of the excitation laser light with which the sample is irradiated. It is characterized by including means.

【0012】請求項3記載の発明は、請求項2記載の発
明において、前記強度分布均一化手段は、励起用レーザ
ー光をその軸方向に伝播する柱状の誘電体からなること
を特徴とするものである。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the intensity distribution uniformizing means is composed of a columnar dielectric that propagates the excitation laser light in its axial direction. Is.

【0013】請求項4記載の発明は、請求項2記載の発
明において、前記強度分布均一化手段は、励起用レーザ
ー光を伝播する光ファイバからなることを特徴とするも
のである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the intensity distribution uniformizing means comprises an optical fiber for propagating a laser beam for excitation.

【0014】[0014]

【作用】請求項1記載の発明は、前記の構成により、励
起用レーザー光を試料表面に照射すると、試料表面の極
浅い部分が瞬間的に蒸発し、その反力(蒸発反力)によ
って試料内に超音波が発生する。また、この瞬間的な蒸
発によって、試料表面のうち励起用レーザー光が照射さ
れている部位は、粗面状態から直ちに鏡面状態に改質さ
れる。したがって、励起用レーザー光が照射されている
部位にプローブ光を照射すると、鏡面によってプローブ
光の多くが有効に反射される。この反射の際に超音波エ
コーによるドップラーシフトを受けると、ドップラーシ
フト検出手段において十分な信号成分が得られるため感
度が向上し、光電変換後の信号のS/N比が向上する。
According to the invention described in claim 1, when the surface of the sample is irradiated with the exciting laser light, the extremely shallow portion of the surface of the sample is instantaneously evaporated, and the reaction force (evaporation reaction force) causes the sample to move. Ultrasound is generated inside. Also, due to this instantaneous evaporation, the portion of the sample surface irradiated with the excitation laser light is immediately modified from the rough surface state to the mirror surface state. Therefore, when the probe light is applied to the portion irradiated with the excitation laser light, most of the probe light is effectively reflected by the mirror surface. If a Doppler shift due to an ultrasonic echo is received during this reflection, a sufficient signal component is obtained in the Doppler shift detecting means, so that the sensitivity is improved and the S / N ratio of the signal after photoelectric conversion is improved.

【0015】請求項2記載の発明は、前記の構成によ
り、レーザー光は一般に、中心部で強度が高く、外側へ
行くに従って強度が低下するガウス型の強度分布を有す
るが、強度分布均一化手段によって試料表面に照射され
る励起用レーザー光の空間強度分布を均一化することに
より、強度分布均一化手段を介さずに励起用レーザー光
を照射した場合に比べて、試料表面の広い範囲が均一に
鏡面化される。このため、プローブ光の反射がより多く
なり、したがって、光電変換後のS/N比は更に向上す
る。
According to the second aspect of the present invention, the laser light generally has a Gaussian intensity distribution in which the intensity is high in the central portion and decreases as it goes to the outside. By homogenizing the spatial intensity distribution of the excitation laser light that irradiates the sample surface by the method, compared to when the excitation laser light is irradiated without going through the intensity distribution equalizing means, a wider range of the sample surface can be obtained. Is mirrored. Therefore, the reflection of the probe light is increased, and thus the S / N ratio after photoelectric conversion is further improved.

【0016】請求項3記載の発明は、前記の構成によ
り、励起用レーザー光が柱状の誘電体の端部から軸に平
行に誘電体へ入射すると、この誘電体は一種の光導波路
として作用する。すなわち、全反射臨界角以下の広がり
角をもって入射した励起用レーザー光は、波長と光導波
路の断面サイズと屈折率によって決まる幾つかの導波モ
ード(0次、1次、2次、・・・、N次)で伝播する。
各導波モードのレーザー光は、それぞれ異なった角度で
全反射を繰り返しながら誘電体の内部を伝播するため、
伝播するにつれ各導波モード同士が重ね合わされ、出射
端面では空間強度分布が略完全に平坦化されたレーザー
光が得られる。このように平坦化されたレーザー光を試
料表面に照射すると、試料表面の広い範囲が均一に鏡面
化されるため、プローブ光の反射がより多くなり、光電
変換後のS/N比は大幅に向上する。
According to a third aspect of the present invention, when the excitation laser light is incident on the dielectric parallel to the axis from the end of the columnar dielectric, the dielectric acts as a kind of optical waveguide. . That is, the excitation laser light incident with a divergence angle equal to or less than the critical angle for total reflection has several guided modes (0th order, 1st order, 2nd order ...) Determined by the wavelength, the cross-sectional size of the optical waveguide, and the refractive index. , N order).
Laser light in each guided mode propagates inside the dielectric while repeating total reflection at different angles.
As the light propagates, the guided modes are superposed on each other, and a laser beam having a spatial intensity distribution substantially flattened at the emission end face is obtained. When the sample surface is irradiated with the laser light thus flattened, a wide range of the sample surface is uniformly mirror-finished, so that the reflection of the probe light is increased and the S / N ratio after photoelectric conversion is significantly increased. improves.

【0017】請求項4記載の発明は、前記の構成によ
り、励起用レーザー光が光ファイバの入射端に入射させ
ると、このレーザー光は、光ファイバ内の側面で多数回
の反射を繰り返して射出端に達する。このため、入射す
る前には場所によって異なる強度を有していたレーザー
光は、光ファイバを通過することによって、空間強度分
布が略完全に平坦化される。このように平坦化されたレ
ーザー光を試料表面に照射すると、試料表面の広い範囲
が均一に鏡面化されるため、プローブ光の反射がより多
くなり、光電変換後のS/N比は大幅に向上する。
According to the invention described in claim 4, when the exciting laser light is made incident on the incident end of the optical fiber, the laser light is repeatedly reflected many times on the side surface in the optical fiber and emitted. Reach the edge. For this reason, the laser light, which has different intensity depending on the location before being incident, passes through the optical fiber, and the spatial intensity distribution is substantially flattened. When the sample surface is irradiated with the laser light thus flattened, a wide range of the sample surface is uniformly mirror-finished, so that the reflection of the probe light is increased and the S / N ratio after photoelectric conversion is significantly increased. improves.

【0018】[0018]

【実施例】以下に図面を参照しつつ、本発明の一実施例
について説明する。図1は、本発明のレーザー超音波検
査装置の一実施例の概略構成図である。尚、図1におい
て、プローブ光照射部30は、図3のプローブ光源2
0、ミラー22、偏光ビームスプリッタ23、1/4波
長板24を一括して示しており、ドップラーシフト検出
部31は、図3の1/4波長板24、レンズ25、ファ
ブリ・ペロー干渉計26、光検出器27、増幅器28、
ハイパスフィルタ29、オシロスコープ17、光検出器
16を一括して示しており、励起用レーザー光照射部3
2は、図3の励起用レーザー10、ビームスプリッタ1
2、ミラー13、14を一括して示している。更に、図
1では、励起用レーザー光照射部32と試料15との間
に、強度分布均一化部33が設けてある。また、本実施
例では、試料15は鋼材であるとする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the laser ultrasonic inspection apparatus of the present invention. Incidentally, in FIG. 1, the probe light irradiation unit 30 is the probe light source 2 of FIG.
0, the mirror 22, the polarization beam splitter 23, and the quarter-wave plate 24 are collectively shown. The Doppler shift detector 31 includes the quarter-wave plate 24, the lens 25, and the Fabry-Perot interferometer 26 of FIG. , Photodetector 27, amplifier 28,
The high-pass filter 29, the oscilloscope 17, and the photodetector 16 are shown collectively, and the excitation laser light irradiation unit 3 is shown.
2 is a pumping laser 10 and a beam splitter 1 shown in FIG.
2, the mirrors 13 and 14 are collectively shown. Further, in FIG. 1, an intensity distribution uniformizing section 33 is provided between the excitation laser beam irradiation section 32 and the sample 15. In addition, in this example, the sample 15 is assumed to be a steel material.

【0019】図1において、励起用レーザー光11は、
図3の励起用レーザー10より発せられ、所定の光学経
路を通過したあと、後述する強度分布均一化部33に入
射する。強度分布均一化部33に入射する前の励起用レ
ーザー光11は、中心部において強度が高く、周辺部へ
行くに従って強度が低下するガウス分布をしている。強
度分布均一化部33を通過した励起用レーザー光11a
は、空間強度分布が均一なレーザー光とされて、試料1
5の表面領域35に照射される。試料15の表面のう
ち、励起用レーザー光11aが照射された領域35は瞬
間的に蒸発し、そのときの熱的応力又は蒸発反力によっ
て広帯域の超音波が発生する。
In FIG. 1, the excitation laser beam 11 is
It is emitted from the excitation laser 10 of FIG. 3, passes through a predetermined optical path, and then enters an intensity distribution uniformizing section 33 described later. The excitation laser light 11 before entering the intensity distribution uniformizing portion 33 has a Gaussian distribution in which the intensity is high in the central portion and decreases as it goes to the peripheral portion. Excitation laser beam 11a that has passed through the intensity distribution uniformizing section 33
Is a laser beam with a uniform spatial intensity distribution,
5 to the surface area 35. A region 35 of the surface of the sample 15 irradiated with the exciting laser beam 11a is instantaneously vaporized, and a broadband ultrasonic wave is generated by thermal stress or vaporization reaction force at that time.

【0020】プローブ光照射部30は、プローブ用レー
ザー光34を、励起用レーザー光11aが照射されてい
る表面領域35に照射する。この点が本発明の主要な特
徴である。従来のレーザー超音波検査装置では、測定対
象試料は、多くの場合、表面が鏡面研磨されているた
め、励起用レーザー光を試料に照射することによって表
面損傷が生じ、この損傷部位にプローブ用レーザー光を
照射すると、プローブ用レーザー光の反射光量の低下を
招いていた。そのため、プローブ用レーザー光は、励起
用レーザー光11aが照射される領域35の近傍に照射
されていた。しかし、本発明者は、粗面鋼材に対して、
励起用レーザー光の照射領域にプローブ用レーザー光を
照射したところ、逆に、プローブ用レーザー光が高い反
射率で反射されることを見いだした。その理由を調べた
結果、最初は凹凸のある粗面状態であった試料表面が、
励起用レーザー光を照射した瞬間に、直ちに鏡面状態に
改質されるためであることが分かった。
The probe light irradiating section 30 irradiates the probe laser light 34 on the surface region 35 irradiated with the excitation laser light 11a. This is the main feature of the present invention. In the conventional laser ultrasonic inspection apparatus, since the surface of the sample to be measured is often mirror-polished, surface damage is caused by irradiating the sample with excitation laser light, and the damaged laser beam is used for the probe laser. Irradiation with light causes a decrease in the amount of reflected laser light for a probe. Therefore, the probe laser light is applied to the vicinity of the region 35 to which the excitation laser light 11a is applied. However, the present inventor has
When the probe laser light was irradiated to the excitation laser light irradiation region, it was found that the probe laser light was reflected at a high reflectance. As a result of investigating the reason, the sample surface, which was initially in a rough surface with irregularities,
It was found that this is because the mirror surface state is immediately modified at the moment when the exciting laser beam is irradiated.

【0021】更に、本発明者は、励起用レーザー光11
を、図1に示す強度分布均一化部33を通して照射する
ことを試みた。その結果、試料表面の鏡面状態は、励起
用レーザー光11aが照射された領域35の全体にわた
って一様なものとなり、プローブ用レーザー光34aの
反射率がより向上することが分かった。
Further, the inventor of the present invention has found that the exciting laser beam 11
Was attempted to be irradiated through the intensity distribution uniformizing section 33 shown in FIG. As a result, it was found that the mirror surface state of the sample surface became uniform over the entire region 35 irradiated with the excitation laser light 11a, and the reflectance of the probe laser light 34a was further improved.

【0022】プローブ用レーザー光34aは、試料15
の表面で反射される際に、超音波エコーによるドップラ
ーシフトを受けるが、反射面を鏡面化することによって
反射率が高くなり、したがって、ドップラーシフト検出
部31では高い感度でドップラーシフトが検出され、光
電変換後の最終的なS/N比が大幅に向上する。
The probe laser beam 34a is used for the sample 15
When reflected by the surface of the, it undergoes Doppler shift due to ultrasonic echo, but the reflectance is increased by making the reflecting surface a mirror surface, and therefore, the Doppler shift detection unit 31 detects the Doppler shift with high sensitivity, The final S / N ratio after photoelectric conversion is significantly improved.

【0023】次に、強度分布均一化部33について説明
する。本出願人は、平成5年3月31日付けの特許出願
(特願平5−97134号)において、アモルファスSi
から、むらの無い均一な多結晶Siを得ることができるレ
ーザーアニーリング方法を提案した。その中で、レーザ
ー光の空間強度を平坦化(均一化)する手段として、透
明な誘電体柱を使用した。
Next, the intensity distribution uniformizing section 33 will be described. The applicant of the present invention filed an amorphous Si in a patent application (Japanese Patent Application No. 5-97134) dated March 31, 1993.
From this, we proposed a laser annealing method that can obtain uniform polycrystalline Si without unevenness. Among them, a transparent dielectric column was used as a means for flattening (uniformizing) the spatial intensity of laser light.

【0024】この誘電体柱の一方の端面に全反射臨界角
以下の広がり角でレーザー光を入射させると、レーザー
光は、波長と光導波路の断面サイズと屈折率によって決
まるいくつかの導波モードで伝播する。これらの導波モ
ードはそれぞれ異なった角度で全反射を繰り返しながら
誘電体柱中を伝播するため、各導波モード同士が伝播す
るにつれて重ね合わされ、出射端面では、完全に平坦化
されたレーザー光が出力される。図1の強度分布均一化
部33は、この誘電体柱と、必要なレンズ等の光学系と
を組み合わせて構成したものである。
When laser light is made incident on one end face of this dielectric pillar at a spread angle of not more than the critical angle for total reflection, the laser light will have several guided modes determined by the wavelength, the cross-sectional size of the optical waveguide and the refractive index. Propagate in. These guided modes propagate in the dielectric column while repeating total reflection at different angles, so they are superposed as the guided modes propagate, and a perfectly flat laser beam is emitted at the exit end face. Is output. The intensity distribution uniformizing section 33 in FIG. 1 is configured by combining this dielectric pillar and an optical system such as a necessary lens.

【0025】また、本出願人は、平成5年9月27日付
けの特許出願(特願平5−264125号)において、
図2(a)〜(c)に示すような、レーザー出力均一化
素子を提案した。これらは、誘電体柱として、石英角柱
を使用し、その入射端に所定の加工を施したものであ
る。
In addition, the applicant of the present invention, in the patent application (Japanese Patent Application No. 5-264125) dated September 27, 1993,
A laser output uniformizing element as shown in FIGS. 2A to 2C was proposed. In these, a quartz prism is used as a dielectric column, and the incident end thereof is subjected to predetermined processing.

【0026】図2(a)に示す石英角柱40は、その入
射端を凹レンズ41に加工したものである。レーザー光
11は、平行光として入射端に達するが、凹レンズ41
に入射する際に、中心軸からの距離によって異なる角度
で屈折する。このため、石英角柱40の内部に入ったレ
ーザー光は、その側面で全反射を繰り返しながら、出射
端42へと伝播する。このように、石英角柱40の入射
端をレンズ面41に加工すると、別体で設けたレンズよ
りもレンズの焦点距離を短くできる。
The quartz prism 40 shown in FIG. 2A has a concave lens 41 at the incident end thereof. The laser light 11 reaches the incident end as parallel light, but the concave lens 41
When incident on, the light is refracted at different angles depending on the distance from the central axis. Therefore, the laser light entering the inside of the quartz prism 40 propagates to the emission end 42 while repeating total reflection on the side surface thereof. Thus, by processing the incident end of the quartz prism 40 on the lens surface 41, the focal length of the lens can be made shorter than that of a lens provided separately.

【0027】図2(b)の石英角柱50は、入射端が凸
レンズ51に加工されている点が図2(a)と異なる。
凸レンズにすることによって、レーザー光の屈折のされ
方は凹レンズの場合とは反対になるが、レーザー光は、
入射の際に中心軸からの距離によって異なる角度で屈折
して石英角柱50の内部に入る点では凹レンズの場合と
同じであり、レーザー光は、側面で全反射を繰り返しな
がら、出射端52へと伝播する。
The quartz prism 50 of FIG. 2B differs from that of FIG. 2A in that the incident end is processed into a convex lens 51.
By using a convex lens, the refraction of laser light is the opposite of that of a concave lens, but the laser light is
This is the same as in the case of the concave lens in that it is refracted at different angles depending on the distance from the central axis upon entering and enters the inside of the quartz prism 50, and the laser light is repeatedly totally reflected on the side surface to the exit end 52. Propagate.

【0028】図2(c)の石英角柱60は、入射端にレ
ンズを設ける代わりに、屈折率分布領域61が設けてあ
る。屈折率分布領域61の屈折率は連続的に変化させて
あり、場所によって異なる屈折率を有する。形状は石英
角柱60と同じでも、屈折率を連続的に変化させること
によって、屈折率分布領域61に入射したレーザー光
は、レンズを通過するのと同様に屈折して石英角柱60
の内部へと伝播し、全反射を繰り返しながら、出射端6
2に達する。
The quartz prism 60 of FIG. 2C has a refractive index distribution region 61 instead of a lens at the incident end. The refractive index of the refractive index distribution region 61 is continuously changed and has a different refractive index depending on the place. Although the shape is the same as that of the quartz prism 60, by continuously changing the refractive index, the laser light incident on the refractive index distribution region 61 is refracted in the same manner as when it passes through the lens, and the quartz prism 60 is used.
Of the output end 6 while propagating to the inside of the
Reach 2.

【0029】図2(a)〜(b)に示した石英角柱を用
いると、石英角柱内部でのレーザー光の反射を臨界角に
近づけることができるため、短い寸法でレーザー光の空
間強度分布を均一化できるなど、種々の利点がある。し
たがって、かかる石英角柱は、図1の強度分布均一化部
33として好適である。また、これ以外にも、例えば、
Optics Comm.88, 59 (1992) において報告されているよ
うに、プリズムの組み合わせによってレーザー光の中心
部の強度が両端、両端部の強度が中心にくるように変形
させこれを、元のレーザー光と重ね合わせることによっ
て、空間強度の平坦化を行う手段を、強度分布均一化部
33として使用することもできる。
When the quartz prism shown in FIGS. 2A and 2B is used, the reflection of the laser light inside the quartz prism can be brought close to the critical angle, so that the spatial intensity distribution of the laser light can be obtained with a short dimension. There are various advantages such as uniformization. Therefore, such a quartz prism is suitable as the intensity distribution uniformizing part 33 of FIG. In addition to this, for example,
As reported in Optics Comm.88, 59 (1992), the intensity of the central part of the laser beam is deformed so that the intensity of the central part of the laser beam is at both ends, and the intensity of both ends is the center. It is also possible to use a means for flattening the spatial intensity as the intensity distribution uniformizing section 33 by superimposing it on.

【0030】従来のレーザー超音波検査装置のように、
励起用レーザー光を照射した部位の近傍に1W程度のプ
ローブ用レーザーを照射した場合は、反射光強度は10
μW程度であった。これに対し、本実施例のように、強
度分布均一化部33を用いて空間強度を均一化した励起
用レーザー光11bを照射した部分に、同じく1W程度
のプローブ用レーザーを照射したところ、その反射光強
度は10mW程度となり、約1000倍の反射率の向上
が見られた。かかる反射率の向上に伴って、ドップラー
シフト検出手段における超音波エコーの検出感度及び光
電変換後のS/N比は大幅に向上する。
Like a conventional laser ultrasonic inspection apparatus,
When the probe laser of about 1 W is irradiated near the portion irradiated with the excitation laser light, the reflected light intensity is 10
It was about μW. On the other hand, as in the present embodiment, when the portion for which the excitation laser beam 11b whose spatial intensity is made uniform by using the intensity distribution uniformizing section 33 is irradiated, is also irradiated with the probe laser of about 1 W, The reflected light intensity was about 10 mW, and the reflectance was improved about 1000 times. With such an improvement in reflectance, the detection sensitivity of ultrasonic echoes in the Doppler shift detecting means and the S / N ratio after photoelectric conversion are greatly improved.

【0031】尚、本発明は上記実施例に限定されること
はなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、強度分布均一化手段として柱
状の誘電体を用いたが、その変わりに、光ファイバと必
要な光学系とを組み合わせて強度分布均一化手段を構成
しても、同様の作用・効果を得ることができる。この場
合には、プローブ用レーザー光についても、光ファイバ
を用いることによって、任意の位置に照射することがで
きるという利点がある。
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist thereof.
For example, in the above embodiment, the columnar dielectric is used as the intensity distribution uniformizing means, but instead, the intensity distribution uniformizing means may be configured by combining an optical fiber and a necessary optical system. The action and effect can be obtained. In this case, there is an advantage that the laser light for probe can also be irradiated at an arbitrary position by using the optical fiber.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プローブ光を、試料表面のうち励起用レーザー光が照射
されている部位に照射するため、励起用レーザー光によ
って鏡面化された表面でプローブ光が反射されるので、
プローブ光の反射率が向上し、それに伴って超音波エコ
ーの検出感度及び光電変換後のS/N比が向上する。更
に、誘電体柱等からなる強度分布均一化手段を通して、
励起用レーザー光を試料表面に照射することによって、
照射部位の鏡面状態が一様となるので、プローブ光の反
射率がより向上し、超音波エコーの検出感度及び光電変
換後のS/N比がより向上するレーザー超音波検査装置
を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
Since the probe light is applied to the portion of the sample surface that is being irradiated with the excitation laser light, the probe light is reflected by the surface that is mirror-finished by the excitation laser light,
The reflectance of the probe light is improved, and accordingly, the detection sensitivity of the ultrasonic echo and the S / N ratio after photoelectric conversion are improved. Furthermore, through the intensity distribution uniformizing means such as a dielectric pillar,
By irradiating the sample laser beam for excitation,
To provide a laser ultrasonic inspection apparatus in which the reflectance of probe light is further improved, and the detection sensitivity of ultrasonic echoes and the S / N ratio after photoelectric conversion are further improved, because the mirror state of the irradiation site becomes uniform. You can

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention.

【図2】レーザー出力均一化素子である石英角柱の断面
図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a quartz prism, which is a laser output uniformizing element.

【図3】レーザー超音波法を用いたレーザー超音波検査
装置の一例の構成を示した概略ブロック図である。
FIG. 3 is a schematic block diagram showing a configuration of an example of a laser ultrasonic inspection apparatus using a laser ultrasonic method.

【図4】ファブリ・ペロー干渉計の光透過特性を示す概
略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing light transmission characteristics of a Fabry-Perot interferometer.

【図5】図4の特性を拡大して示した概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an enlarged characteristic of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 励起用レーザー 12 ビームスプリッタ 13、14、22 ミラー 15 試料 16、27 光検出器 17 オシロスコープ 20 プローブ光源 23 偏光ビームスプリッタ 24 1/4波長板 25 レンズ 26 ファブリ・ペロー干渉計 28 増幅器 29 ハイパスフィルタ 30 プローブ光照射部 31 ドップラーシフト検出部 32 励起用レーザー光照射部 33 強度分布均一化部 10 Laser for Excitation 12 Beam Splitter 13, 14, 22 Mirror 15 Sample 16, 27 Photodetector 17 Oscilloscope 20 Probe Light Source 23 Polarization Beam Splitter 24 1/4 Wave Plate 25 Lens 26 Fabry-Perot Interferometer 28 Amplifier 29 High-pass Filter 30 Probe light irradiation unit 31 Doppler shift detection unit 32 Excitation laser light irradiation unit 33 Uniform intensity distribution unit

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 検査対象である試料の表面に励起用レー
ザー光を照射して前記試料内に超音波を励起させる励起
用レーザー光照射手段と、 超音波検出用のプローブ光を、前記励起用レーザー光が
照射されている前記試料の部位に照射するプローブ光照
射手段と、 前記試料でプローブ光が反射される際に受けるドップラ
ーシフトを検出して光強度に変換するドップラーシフト
検出手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。
1. Excitation laser light irradiating means for irradiating the surface of a sample to be inspected with excitation laser light to excite ultrasonic waves in the sample; and probe light for ultrasonic wave detection, A probe light irradiating means for irradiating a portion of the sample irradiated with laser light, and a Doppler shift detecting means for detecting a Doppler shift received when the probe light is reflected by the sample and converting it into a light intensity, A laser ultrasonic inspection apparatus comprising:
【請求項2】 前記励起用レーザー光照射手段は、前記
試料に照射される励起用レーザー光の空間強度分布を均
一化する強度分布均一化手段を含んでいることを特徴と
する請求項1記載のレーザー超音波検査装置。
2. The excitation laser light irradiating means includes intensity distribution uniformizing means for uniformizing the spatial intensity distribution of the excitation laser light with which the sample is irradiated. Laser ultrasonic inspection equipment.
【請求項3】 前記強度分布均一化手段は、励起用レー
ザー光をその軸方向に伝播する柱状の誘電体からなるこ
とを特徴とする請求項2記載のレーザー超音波検査装
置。
3. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 2, wherein the intensity distribution uniformizing means is made of a columnar dielectric that propagates the excitation laser light in its axial direction.
【請求項4】 前記強度分布均一化手段は、励起用レー
ザー光を伝播する光ファイバからなることを特徴とする
請求項2記載のレーザー超音波検査装置。
4. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 2, wherein the intensity distribution uniformizing means comprises an optical fiber for propagating a laser beam for excitation.
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