JPH10501894A - マイクロチップ・レーザ内で偏波ビーティングを用いた超音波／振動 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数で発振するように構成されているマイクロチップ・レーザ又はマイクロチップ・レーザのアレイで構成された超音波／振動センサが開示されている。これらの２つのモードの間の周波数の差は、（光でなく）電気信号処理システムの帯域幅内に入るように選択されている。マイクロチップ・レーザ又はマイクロチップ・レーザのアレイを音響場に配置すると、その空洞長が変調されることにより、２つのモードの間の周波数差が周波数変調される。偏波器のような偏波スクランブル装置を偏波軸に対して約４５度の角度で使用して２つのレーザ出力偏波を混合した後に、マイクロチップ・レーザごとに１つのホトダイオードで検出すると、結果として得られる電気信号は、２つの偏波モードの間のＦＭ変調されたビート周波数を含んでいる。これは次に、電気信号処理システムを用いて復調される。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロチップ・レーザ内で偏波ビーティング を用いた超音波／振動 発明の背景 本出願は、同時に出願され、譲り受け人が同じである１９９５年に出願された エーアール・デュガル（AR Duggal）等の米国特許出願（ＲＤ−２４，３２０） に関連しており、本出願の開示は、ここに参照されるべきものである。 本発明は、一般的には音響エネルギのイメージング（作像）に関し、更に詳し くはレーザに基づく超音波検出装置に関するものであると共に、最も詳しくはマ イクロチップ・レーザ内で偏波ビーティング（うなり）を用いた超音波／振動検 出に関する。 超音波装置は、一般に医用イメージング及び物質の非破壊検査（ＮＤＥ（non- destructive evaluation））で使用されている。超音波分析では、音響波として 固体、液体及び気体を通るエネルギの伝搬が必要とされる。典型的には、音響エ ネルギのパルスをイメージング対象に印加して、音響パルスの反射波を検出する と共に処理することにより、イメージング及び分析が行われる。反射波の空間関 係及び振幅から、被分析対象内で音響エネルギを反射した構造の位置及び性質に ついての情報が得られる。 しばしば圧電変換器を使用することにより、被分析対象 に送り込まれる超音波パルスを発生して、変換器で受信された反射波を検出する 。圧電素子は長大な電気ケーブル布線（ケーブリング）を必要とし、これにより 変換器アレイに配置され得る画素数に実際的な限界が課され、その結果、アレイ の分解能が制限される。 光学的技術も超音波イメージングにおいて音響波の発生及び検出に使用されて きた。例えば、被検査対象の表面に集束されるレーザ・ビームからのエネルギは 、対象内に音響パルスを発生することができる。音響エネルギの戻りパルスは典 型的には、干渉観測を用いることにより光学的に検出される。このような技術の 概観は、ここに参照されるべきシー・ビー・スクラビー及びエル・イー・ドレイ ン著、１９９０年アイオーピー出版社発行の書籍「レーザ超音波−技術及び応用 」（Laser Ultrasonics-Techniques and Applications by C.B.Scruby and L.E. Drain，IOP Publishing Ltd）で行われている。超音波の光学的検出の非干渉観 測技術としては、ナイフエッジ技術及び表面回折格子技術、並びに反射率及び光 フィルタに基づく技術等がある。ここに参照されるべきアイイーイーイー・トラ ンザクションズ・オン・ウルトラソニックス・フェロエレクトリックス・アンド ・フリークェンシー・コントロール、ＵＦＦＣ−３３のジェー・ピー・モンチャ リン執筆の「超音波の光学的検出」（"Optical Detection of Ultrasound" by J .P.Monchalin，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Freq uency Control，UFFC-33，September 1986） を参照されたい。超音波検出のこれらのレーザに基づく方法は、従来の圧電に基 づく方法に比べて数桁感度が低い。 音波を検出するためのもう１つのレーザに基づく方法が、ソビエト・フィジッ クス・アコースティック、３４、第２０４頁、１９８８年３月のワイ・エー・ビ コフスキー等執筆の論文「レーザ水中聴音器」（"Laser Hydrophone" by Y.A.By kovskii et al.,in Sov．Phys．Acoust．34，p204，March 1988）に示唆されて いる。ビコフスキー等の光学的水中聴音器では、水中聴音器の膜の動きが水中聴 音器内の半導体レーザの出力及び位相の一方又は両方を変化させることにより、 光信号の振幅に変化を生じさせる。ビコフスキーのソナー水中聴音器は比較的効 率が悪いので、感度が低い。 本発明の譲り受け人に譲渡され、その開示がここに参照されるべき米国特許第 ５，３５３，２６２号に開示されているような、超音波の用途のために光変換器 アセンブリを使用するためのより最近の手法では、光変換器アセンブリが、変換 器ハウジングと、変換器ハウジングに装着されている信号レーザとを含んでいる 。信号レーザによって発生される光周波数は、変換器アセンブリに入射する音響 エネルギに応じて変調可能である（即ち、変調されるように構成されている、又 は変調されることができる。）。信号レーザは、レーザ媒体が内部に配設されて いる光空洞と、その空洞の光路軸に沿った光空洞の両端のそれぞれの表面に配設 されている第１及び第２の反射器とを含んでいる。代 替的には、第２の反射器は、ジル−トルノア（Gires-Tournois）の干渉計として 作用するコンプライアント空洞に置き換えることができる。信号レーザは、変換 器アセンブリに入射する音響エネルギが光路軸に沿った空洞の長さを変化させ、 又は代替的には光空洞の屈折率を変化させ、そしてこのような変化の結果として 、レーザによって発生される光の光学的周波数を実質的に線形に変化させるよう に構成されている。 米国特許第５，３５３，２６２号に開示されている一実施例では、信号レーザ が変換器ハウジングに装着されており、変換器アセンブリに入射した音響エネル ギが光空洞の光路軸に沿って伝送され、光空洞の圧縮及び希薄化が交互に生じ、 これにより光空洞の長さが変化するので、信号レーザによって発生される光の周 波数が変化する。もう１つの実施例では、ジル−トルノア（Gires-Tournois）の 干渉計であるコンプライアント空洞が、第２の反射器の代わりに、レーザ媒体に 結合されており、入射音響エネルギの変化によりコンプライアント空洞の長さが 変化し、これにより信号レーザの実効的な光空洞の長さが変化し、その結果、レ ーザの光周波数が変調される。 更にもう１つの実施例では、信号レーザは、入射音響エネルギが第１の反射器 と第２の反射器との間の光軸に沿った屈折率の変化に変換され、信号レーザによ って発生される光周波数が入射音響エネルギに応じて変化するように構成されて いる。この実施例では、圧電素子が典型的には、 入射音響エネルギを受け取って、対応する電気信号を発生するように配設されて いる。圧電素子は、レーザ媒体の両端の間に電界を印加するように、導体に電気 的に結合されている。レーザ媒体は典型的には、電界の変化によりレーザ媒体の 屈折率が対応して変化するように構成されている。代替的には、圧電素子は、光 路に配設されている電気光学素子を駆動するように構成されていると共に、電気 光学素子は、屈折率を変化させるように構成されている。 レーザ・ポンプが信号レーザに結合されており、レーザ・ポンプは、レーザ媒 体に選択可能なレベルの励起エネルギを供給することにより信号レーザを活性化 するように構成されている。本発明の一実施例では、信号レーザは変換器ハウジ ングに装着されており、これにより、信号レーザの内部の空洞内の媒体の光路軸 に沿った変位が可能となり、変位の量は、媒体によって吸収される励起エネルギ の選択されたレベルに依存する。送信モードでは、レーザ・ポンプは、媒体に十 分な励起エネルギを供給することにより、それが結合された対象内に超音波パル スを発生するように構成されている。 超音波システムでは、信号レーザによって発生された光信号は典型的には、デ ィスプレイ及び分析のために信号処理アセンブリに結合される。信号処理アセン ブリは、ヘテロダイン検出素子を含んでいることが有利であり、又はその代わり に、信号レーザによって検出された入射音響エネルギの振幅に対応する出力信号 を発生するように構成され ているスペクトル・フィルタ検出素子を含んでいることが有利である。 上述した努力にも拘わらず、振動／超音波検出のための改善された光センサを 開発する必要は未だ存在する。標準の圧電センサと比較した場合の光センサの利 点は、電磁干渉（ＥＭＩ（electromagnetic interference））に強いこと、及び 光ファイバ・ケーブリングとインタフェースできることである。前者の利点は、 発電所内又は電力線沿いのような高電磁干渉の環境における振動の監視に応用す ることができる。後者の利点により、適当な大きさのセンサを、プロセス及び「 使用中の」振動監視のための複合構造内に組み込むことができる。更に、医用超 音波イメージングの用途では、最終画像品質は、アレイ内のセンサ数又は画素数 に正比例して改善される。現在、アレイ内のセンサ数は、センサ・アレイを信号 処理コンソールに相互接続しているケーブルの大きさによって制限されている。 電気ケーブリングに比べて大幅に小さい光ファイバ・ケーブリングの場合には、 より多くのセンサ・アレイ素子を利用して、より簡単で、よりコンパクトな超音 波検出装置を提供することができる。詳しく述べると、支援装置にインタフェー スする超音波変換器に対する医用イメージング及び物質の非破壊検査（ＮＤＥ（ nondestructive evaluation））では、現在の最新技術の超音波イメージング・ アレイは、約１００個の個別の超音波画素の線形アレイを使用しており、個別の 超音波画素の各々は、個別の同軸ケーブルに接続されて いる。アレイのサイズは現在、相互接続ケーブリングの複雑さによって制限され ている。従って、検出装置内のセンサ又は画素の数を増加させると同時に、相互 接続ケーブリングの複雑さを軽減させることが望ましい。実用的な装置の場合に は、検出方式によって信号調整又は信号処理に過度の複雑さが加わらないことも 必要である。 発明の概要 本発明によれば、超音波／振動検出システムが開示される。このシステムは、 マイクロチップ・レーザで構成されているセンサを含んでおり、マイクロチップ ・レーザは、２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数で発振 するように構成されている。これらの２つのモードの間の周波数の差は、（光で なく）電気信号処理システムの帯域幅内に入るように選択されている。マイクロ チップ・レーザを音響場に配置すると、その空洞長が変調されることにより、２ つのモードの間の周波数差が周波数変調される。偏波器のような偏波スクランブ ル装置を偏波軸に対して４５度の角度で使用して、２つのレーザ出力偏波を混合 した後に、ホトダイオードで検出すると、結果として得られる電気信号は、２つ の偏波モードの間のＦＭ変調されたビート（うなり）周波数を含んでいる。これ は次に、電気信号処理システムを使用して復調される。 本発明の１つの側面では、音響エネルギを検出するための装置が含まれており 、この装置は、レーザ・ハウジングと、レーザ・ハウジングに装着されていると 共に、２つの 直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数で発振するように構成され ているマイクロチップ・レーザ手段とを含んでいる。 本発明の第２の側面では、音響エネルギを検出するためのマイクロチップ・レ ーザ・システムが含まれており、このマイクロチップ・レーザ・システムは、レ ーザ・ハウジングと、レーザ・ハウジングに装着されていると共に、２つの直交 偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数で発振するように構成されてい るマイクロチップ・レーザ手段と、マイクロチップ・レーザ手段に動作接続され ており、レーザ手段にエネルギを与えるレーザ・ポンプ手段と、レーザ・ポンプ 手段とマイクロチップ・レーザ手段との間に動作配置されている波長デマルチプ レクサ手段と、波長デマルチプレクサ手段の後に動作配置されており、２つの偏 波状態の間の混合を行う偏波スクランブル手段と、混合された偏波状態をＦＭ信 号に変換するホトダイオード手段と、ホトダイオード手段に動作接続されており 、結果として得られるＦＭ信号を復調するＦＭ復調手段とを含んでいる。 従って、本発明の１つの目的は、音響エネルギを検出するためのレーザ変換器 を提供することにある。 本発明のもう１つの目的は、超音波パルスを検出するためのレーザ変換器を提 供することにある。 本発明の更にもう１つの目的は、比較的コンパクトで、コンパクトな変換器ア レイ内に多数の変換器画素を有して いるように構成されているレーザ超音波装置を提供することにある。 本発明の更にもう１つの目的は、高い感度及び広いダイナミック・レンジを示 すレーザ超音波装置を提供することにある。 本発明の他の目的及び利点は、以下の説明、図面及び請求の範囲から明らかと なる。 図面の簡単な説明 図１は本発明を含んでいる超音波システムのブロック図である。 図２は超音波場をターンオフしたときの偏波ビート周波数を表すグラフであり 、図面のピークはマイクロチップ内の残留応力によって生じる直交偏波モード相 互の間のビート周波数を表すグラフである。 図３は超音波場をターンオンしたときの偏波ビート周波数を表すグラフであっ て、超音波により偏波ビート周波数の周波数変調が生じることを示す図である。 本発明の詳細な説明 本発明によれば、マイクロチップ・レーザ又はマイクロチップ・レーザのアレ イ１２が、２つの偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数で発振するよ うに構成されている。これら２つの周波数の差は、（光でなく）電気信号処理シ ステムの帯域幅内に入るように選択されている。マイクロチップ・レーザ１２を 音響場に配置したときに、その空洞長が変調され、２つのモードの間の周波数差 が周 波数変調される。偏波軸に対して約４５度の偏波器（ポラライザ）２０のような 偏波スクランブル素子を使用して２つのレーザ出力偏波を混合した後、ホトダイ オード２２で検出したときに、結果として得られる電気信号は、２つの偏波モー ドの間のＦＭ変調されたビート（うなり）周波数を含んでいる。次に、これは電 気信号処理システム２４を使用して復調される。 図示するように、音響エネルギで検査対象を分析するための超音波システム１ ０は、レーザ共振器が確実に複屈折性であるようにすることにより得られる２つ の直交偏波状態に対応している２つの相異なる周波数でレーザ出力が構成される ように作成されているマイクロチップ・レーザ又はレーザのアレイ１２を含んで いる。これは、（１）複屈折マイクロチップ・レーザ物質を使用し、（２）ある 軸に沿ってマイクロチップに応力を加え（このような応力を加えるための技術は 、オプティカル・ソサイェティ・オブ・アメリカ誌、第９９９頁、１９９７年１ ２月号所載のエー・オーヤング及びピー・エシェリックによる「ダイオード・レ ーザ励起モノリシックＮｄ：ＹＡＧレーザの応力誘導チューニング」に開示され ており（"Stress-induced tuning of a diode-laser-excited monolithic Nd:YA G laser" by A.Owyoung and P.Esherick in Optical Society of America，p.99 9，December 1987）、その開示内容は、ここに参照されるべきである。）、（３ ）マイクロチップ・レーザ物質内に存在し得る何らかの残留応力に依存すること により、又は（４）複合マイクロチップ・レーザ空洞の一部として複屈折物質を 付加することにより達成することができる。複屈折物質を利用している複合マイ クロチップ・レーザ空洞の構造は、前に示されている（例えば、オプティカル・ ソサイェティ・オブ・アメリカ誌、第１２０１頁、１９９２年９月号所載のジェ ー・ザイホウスキー及びシー・ディル３世による「高パルス繰り返し速度で電気 光学的にＱスイッチングされるダイオード・ポンプ形マイクロチップ・レーザ」 （"Diode-pumped microchip lasers electro-optically Q switched at high pu lse repetition rates" by J.Zayhowski and C.Dill III in Optical Society o f America，p.1201，September 1，1992）、並びにアメリカン・インスティテュ ート・オブ・フィジックス誌、第２７４６頁、１９９１年３月号所載のジェー・ ザイホウスキーによる「偏波スイッチング可能なマイクロチップ・レーザ」（"P olarization-switchable microchip lasers" by J.Zayhowski in American Inst itute of Physics，p．2746，March 1991）を参照。）。 上述した手法の１つを用いて、２つの偏波状態の間の周波数差（Ｖｐ）を０か ら軸モード周波数間隔Ｖａｘの半分までに調節することができる（Ｖａｘ＝ｃ／ （２ｎＬ）、ここで、ｃは光の速度、ｎは屈折率、及びＬはマイクロチップ・レ ーザ空洞長である。）。従って、ｎ＝１．８である１ｍｍのＮｄ：ＹＡＧマイク ロチップの場合、Ｖｐを０から４２ＧＨｚまでに調節することができる。 ホトダイオード２２による検出の前に、偏波器２０のような偏波モード・スク ランブラがレーザ出力の偏波軸に対して約４５度で光路に配置されると、結果と して得られる電気信号は、２つの偏波のビート周波数（Ｖｐ）の成分を含んでい る。 マイクロチップ１２が音響場に配置されると、このビー周波数は、次式に従っ て音響場によって生じるマイクロチップの巨視的応力の時間に依存した変化によ り変調される。 △Ｖｐ^(t)／Ｖｐ＝−△Ｌ^(t)／Ｌ ここで、△Ｖｐ^(t)はマイクロチップ・レーザ空洞長△Ｌ^(t)の変化の結果とし てのビート周波数の変化である。従って、音響場の時間依存性は、偏波周波数Ｖ ｐのＦＭ変調で符号化される。 本発明がどのように用いられるかの概略が図１に示されている。ここで、波長 λ₁のダイオード・レーザを使用して、光ファイバ１６を通してマイクロチップ のポンピングを行い、λ₂のマイクロチップ・レーザ出力が同じ光ファイバを通 して反対方向に進行するようにされる。光ファイバ波長マルチプレクサ１４を使 用して、この光が偏波スクランブラ２０を通るように方向付けすることにより、 ２つの偏波状態の間の完全な混合を行うことができ、続いて光はホトダイオード で検出される。結果として得られるＶｐでのＦＭ信号は次に、標準のＦＭ復調装 置２４を使用して復調される。 例 マイクロチップに超音波場を生じるように調整された音響変換器と一緒に、Ｎ ｄ：ＹＡＧマイクロチップ・レーザが鉱油浴内に配置された。図２及び図３の下 方の曲線は、それぞれ超音波場が存在しない場合及び存在する場合についてディ ジタル・スコープで測定したマイクロチップ・レーザの周波数スペクトルを示す 。図２には、約３５ＭＨｚに一対のピークが見られる。これは、マイクロチップ 内の残留応力による偏波ビート周波数Ｖｐに対応している。このピークが対にな っている性質は、アナログ・スペクトル・アナライザではその対は見えないので 、ディジタル・スコープにおけるフーリエ変換ルーチンのアーティファクトによ るものである。 図３では、超音波場をターンオンした状態で、ビート周波数のピークが約３Ｍ Ｈｚの超音波周波数で等間隔に配置されている少なくとも４つのピークに分割さ れる。これは、周波数変調を表しており、超音波が偏波ビート周波数の周波数変 調を生じつつあることを示す。 音響場を検出するためのこのシステム及び方法の主な利点は、搬送波周波数Ｖ ｐをそれが電気ＦＭ復調システムの帯域幅内にあるように調節できるということ である。このことは、単一周波数のマイクロチップ・レーザが音響場によって周 波数変調され、光周波数復調器を用いなければならないという、前述の従来技術 で説明したシステム及び方法と異なるところである。詳しく述べると、本発明は 、電 気信号処理周波数帯域幅内のＦＭ信号のＦＭからＡＭへの変換、即ちＦＭ復調を 必要とし、従って、電気ＦＭ復調技術しか必要としない。従来の検出器は、光周 波数ＦＭ信号のＦＭからＡＭへの変換、即ちＦＭ復調を必要とするので、光ＦＭ 復調技術を必要とする。 本発明の一例として、単一のマイクロチップ・レーザについて説明してきたが 、実用的で有効な音響検出器を提供するために、複数のマイクロチップ・レーザ を動作接続して、２つから２０，０００個以上ものマイクロチップ・レーザを組 み合わせたアレイとし得ることが理解されるはずである。 本発明によるマイクロチップ・レーザは、医用イメージング又は物質の非破壊 検査のために使用されている超音波システムのような音響エネルギ・イメージン グ・システムにおいて使用すると有利である。 本明細書に含まれているシステム及び装置は、本発明の好ましい実施例を構成 しているが、本発明は、これらの詳細なシステム及び装置に限定されるものでな く、請求の範囲に画定されている本発明の要旨を逸脱することなく変更を加え得 ることは理解されるはずである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． レーザ・ハウジングと、 該レーザ・ハウジングに装着されていると共に、２つの直交偏波に対応してい る２つの相異なるレーザ周波数で発振するように構成されているマイクロチップ ・レーザ手段とを備えた音響エネルギを検出する装置。 ２． 前記２つの周波数の間の差は、電気信号処理システムの帯域幅内に入るよ うに選択されている請求項１に記載の装置。 ３． 前記マイクロチップ・レーザ手段が音響場に配置されたときに、その空洞 長が変調されて、前記２つの相異なるレーザ周波数の間の周波数差が周波数変調 される請求項２に記載の装置。 ４． 前記２つのレーザ出力偏波は、偏波スクランブル素子を用いて混合された 後、ホトダイオードで検出されており、結果として得られる電気信号は、２つの 偏波モードの間のＦＭ変調されたビート周波数を含んでいる請求項３に記載の装 置。 ５． 前記偏波スクランブル素子は、偏波軸に対して約４５度を成した偏波器で ある請求項４に記載の装置。 ６． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数は、マイ クロチップに応力をある軸に沿って加えることにより生じている請求項１に記載 の装置。 ７． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なる レーザ周波数は、前記マイクロチップ・レーザ物質内に存在し得る何らかの残留 応力に依存することにより生じている請求項１に記載の装置。 ８． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数は、複合 マイクロチップ・レーザ空洞の一部として複屈折物質を付加することにより生じ ている請求項１に記載の装置。 ９． レーザ・ハウジングと、 該レーザ・ハウジングに装着されていると共に、２つの直交偏波に対応してい る２つの相異なるレーザ周波数で発振するように構成されているマイクロチップ ・レーザ手段と、 該マイクロチップ・レーザ手段に動作接続されており、該レーザ手段にエネル ギを与えるレーザ・ポンプ手段と、 該レーザ・ポンプ手段と前記マイクロチップ・レーザ手段との間に動作配置さ れている波長デマルチプレクサ手段と、 該波長デマルチプレクサ手段の後に動作配置されており、２つの偏波状態の間 の混合を行う偏波スクランブル手段と、 混合された偏波状態をＦＭ信号に変換するホトダイオード手段と、 該ホトダイオード手段に動作接続されており、結果として得られるＦＭ信号を 復調するＦＭ復調手段とを備えた音響エネルギを検出するマイクロチップ・レー ザ・システム。 １０． 前記２つの周波数の間の差は、電気信号処理シス テムの帯域幅内に入るように選択されている請求項９に記載のシステム。 １１． 前記マイクロチップ・レーザ手段が音響場に配置されたときに、その空 洞長が変調されて、前記２つの相異なるレーザ周波数の間の周波数差が周波数変 調される請求項９に記載のシステム。 １２． 前記２つのレーザ出力偏波は、偏波スクランブル素子を用いて混合され た後、ホトダイオードで検出されており、結果として得られる電気信号は、２つ の偏波モードの間のＦＭ変調されたビート周波数を含んでいる請求項９に記載の システム。 １３． 前記偏波スクランブル素子は、偏波軸に対して約４５度を成した偏波器 である請求項１２に記載のシステム。 １４． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数は、マ イクロチップに応力をある軸に沿って加えることにより生じている請求項１２に 記載のシステム。 １５． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数は、前 記マイクロチップ・レーザ物質内に存在し得る何らかの残留応力に依存すること により生じている請求項１２に記載のシステム。 １６． 前記２つの直交偏波に対応している２つの相異なるレーザ周波数は、複 合マイクロチップ・レーザ空洞の一部として複屈折物質を付加することにより生 じている請求項９に記載のシステム。