KR101387874B1

KR101387874B1 - 레이저 초음파 검사 시스템 내의 검출 레이저용 전치증폭기

Info

Publication number: KR101387874B1
Application number: KR1020097014395A
Authority: KR
Inventors: 마크 두보이스; 주니어. 토마스 이. 드레이크; 케네쓰 알. 얀
Original assignee: 록히드 마틴 코포레이션
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2014-04-22
Also published as: WO2008115308A1; BRPI0720686A2; IL199484A; IL199484A0; CN101755203A; EP2126558A1; KR20090122425A; US7916307B2; US20080181268A1; CA2673320A1; JP5213882B2; CN101755203B; EP2126558B1; JP2010522326A; AU2007349242A1

Abstract

펄스 검출 레이저가 제공된다. 펄스 검출 레이저는 단일 주파수 오실레이터와, 연속 전치증폭기와, 펄스형 증폭기를 포함한다. 단일 주파수 오실레이터는 시드 레이저 빔을 발생하고 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결된다. 상기 연속 전치증폭기는 시드 레이저를 증폭시켜서 중간 파워 레이저 빔을 생성할 수 있다. 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되는 펄스형 증폭기가 중간 파워 레이저 빔을 수신하고, 상기 중간 파워 레이저 빔을 증폭시켜서, 펄스 검출 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이러한 펄스 검출 레이저는 초음파 변위를 조명하는 기능을 수행한다. 레이저로부터의 광이 산란되고, 채집되며, 간섭계에 의해 분석되어, 부품의 표면에서의 초음파의 리턴 에코에 의해 발생되는 초음파 변위를 복조할 수 있다.

Description

레이저 초음파 검사 시스템 내의 검출 레이저용 전치증폭기{PRE-AMPLIFIER FOR DETECTION LASERS WITHIN LASER ULTRASONIC INSPECTION SYSTEMS}

관련 특허

본 출원은 Thomas E. Drake의 2006년 12월 22일자 US 가특허출원 제60/871,680호 “ARTICULATED ROBOT FOR LASER ULTRASONIC INSPECTION”로부터 우선권을 주장하고 있으며, 상기 특허출원은 본원에서 참조로서 인용된다.

본 출원은 1998년 6월 30일자 US 가특허출원 제60/091,240호를 참조한다.

본 출원은 Thomas E. Drake의 US 가특허출원 제60/091,229호 “METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING ULTRASONIC SURFACE DISPLACEMENTS USING POST-COLLECTION OPTICAL AMPLIFICATION"를 참조한다.

본 출원은 Thomas E. Drake의 2004년 1월 7일자 US 특허출원 제10/753,208호 “REMOTE LASER BEAM DELIVERY SYSTEM AND METHOD FOR USE WITH A ROBOTIC POSITIONING SYSTEM FOR ULTRASONIC TESTING PURPOSE"를 참조한다.

이 출원은 Thomas E. Drake의 2004년 2월 12일자 US 특허 출원 제10/634,342호 “METHOD AND APPARATUS FOR ULTRASONIC LASER TESTING"을 참조한다.

기술 분야

본 발명은 물질의 비파괴적 평가(non-destructive evaluation)를 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 세부적으로, 물질의 비파괴적 평가를 수행하기 위해 사용되는 초음파 레이저 검사 시스템 내에 위치하는 검출 레이저에 관한 것이다.

최근 들어, 항공 우주, 자동차 및 그 밖의 다른 상업적 산업에서 진보된 복합 구조를 사용하는 것이 크게 성장해왔다. 복합 물질은 상당한 성능 개선을 제공하지만, 제조 공정 중과, 상기 물질이 완성품으로 팔린 후 모두에서, 엄격한 품질 제어 절차를 필요로 한다. 특히, 비파괴적 평가(NDE: Non-Destructive Evaluation) 방법이 복합 물질의 구조적 무결성을 평가해야 한다. 이러한 평가법은 내부결함(inclusion), 박리(delamination) 및 기공(porosity)을 검출한다. 종래의 NDE 방법은 느리고, 노동집약적이며, 비용이 많이 든다. 따라서 바람직하지 않게도 테스팅 절차가 복합 구조에 관련된 제조비용을 증가시킨다.

복합 구조의 구조적 무결성을 평가하기 위해 다양한 방법 및 장치가 제안되어 왔다. 한 가지 해결책이 워크피스에 초음파 표면 변위(ultrasonic surface displacement)를 발생하기 위해 초음파 소스(ultrasonic source)를 사용하고, 그 후, 상기 워크피스를 측정 및 분석하는 것이다. 일반적으로 외부 초음파 소스는 표적으로 향해지는 펄스형 발생 레이저 빔이다. 개별 검출 레이저로부터의 레이저 광이, 워크피스의 표면에 의해 산란된다. 검출 레이저 광은 초음파 변위에 의해 위상 변조된다. 또한 위상 변조는 시간 함수로서 주파수 변조에 해당하며, 어느 타입의 변조든지 본원에서 설명되는 프로세스를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 그 후, 채집 광소자(collection optics)가 산란된 레이저 에너지를 채집한다. 상기 채집 광소자는 간섭계(interferometer), 또는 그 밖의 다른 장치로 연결된다. 상기 간섭계가 초음파 변위 정보를 복조하며, 최종 신호의 분석을 통해, 복합 구조의 구조적 무결성에 관한 데이터가 획득될 수 있다. 레이저 초음파는 제조 공정 동안의 부품 검사에 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.

그러나 레이저 초음파를 위해 사용되는 기기는 사용자 맞춤 설계되며, 이는 현재 검사 속도에 관한 제한 요인이다. 이전의 고체-상태 검출 레이저(solid-state detection laser)는 플래쉬-램프 펌핑형 막대 구조, 또는 다이오드 펌핑형 슬래브 구조 중 하나를 사용하여, 저-파워 마스터 오실레이터 레이저를 증폭시켰다. 이러한 구성은 일반적으로 MOPA(master oscillator power amplifier) 레이저라고 일컬어진다.

현재는, 레이저의 펄스 레이트(pulse rate)에 의해 검사 속도가 제한된다. 플래쉬-램프 펌핑형 레이저(flash-lamp pumped laser)는 100㎐에서만 동작할 수 있고, 통상적으로, 램프는 수백만 개의 샷(shot) 중 10개 동안만 유지된다. 따라서 이러한 레이저는 느리고, 동작 비용이 많이 든다. 다이오드-펌핑형 슬래브(Diode-pumped slab) 레이저는 훨씬 더 빠르지만(현재 한도는 400㎐이며, 1㎑가 가능할 수 있음), 슬래브(slab)를 펄스-펌핑(pulse-pump)하고, 열변형(thermal distortion)을 유도할 수 있는 많은 양의 열을 생성하기 위해, 매우 비싼 사용자 맞춤 제조되는 다이오드 어레이를 사용한다. 다이오드 어레이의 수명이 점점 더 나아질지라도, 일부는 10번의 샷 동안만 지속되며, 이 점은 지금까지 높은 비용, 신뢰성 및 열변형 때문에 걱정거리였다. 크리스털 슬래브(slab)의 고-파워 펄스형 다이오드 펌핑이 상기 슬래브의 열변형을 유도할 것이며, 이는 궁극적으로, 레이저 빔의 파형의 품질을 제한한다. 파면(wavefront) 변형이 레이저의 유효 파워를 제한할 수 있고, 표적으로의 상기 빔의 효과적인 광섬유 전달을 방해한다. 어레이에서의 각각의 다이오드 바(diode bar)가 40W 내지 100W의 피크 파워를 가질 수 있고, 레이저 슬래브의 측부를 효과적으로 펌핑하기 위해, 각각의 다이오드 바들은 서로에 대해 물리적으로 밀접해야 한다. 하나의 어레이 내의 다이오드 바의 총 개수는 50 내지 100일 수 있다(하나의 어레이가 슬래브(slab)의 각각의 측부를 펌핑할 수 있으므로, 200개의 다이오드 바가 사용될 수 있다). 다이오드 어레이와 슬래브(slab) 모두에 있어서, 열 제거가 중요한 설계 문제이다.

본 발명의 실시예는 앞서 언급된 필요성과 그 밖의 다른 필요성까지 충분히 해결하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 다음의 상세한 설명과 청구범위에서 추가로 설명된다. 본 발명의 실시예의 이점과 특징들은 청부된 도면과 청구범위를 통해 명확해질 수 있다.

본 발명의 실시예는 초음파의 광학 검출에 대한 개선된 레이저에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의해, 펄스형 검출 레이저가 제공된다. 상기 펄스 검출 레이저는 단일 주파수 오실레이터와, 연속 전치증폭기와, 펄스형 증폭기를 포함한다. 상기 단일 주파수 오실레이터는 시드 레이저 빔을 발생하고, 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결된다. 상기 연속 전치증폭기는 시드 레이저를 증폭시켜서, 중간 파워 레이저 빔을 생성할 수 있다. 펄스형 증폭기는 상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되어, 중간 파워 레이저 빔을 수신하고, 상기 중간 파워 레이저 빔을 증폭시켜서, 펄스 검출 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이 펄스 검출 레이저는 초음파 변위를 조명하는 기능을 수행한다. 레이저로부터의 광이 산란되고, 채집되며, 간섭계에 의해 분석되어, 부품의 표면에서의 초음파의 리턴 에코에 의해 발생된 초음파 변위를 변조할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 검출 레이저 빔을 발생하는 방법이 제공된다. 이 방법은 마스터 오실레이터를 이용해 시드 레이저 빔을 발생하는 단계를 포함한다. 그 후, 연속 전치증폭기와 다이오드 펌핑형 펄스 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔이 증폭되어, 펄스형 검출 레이저 빔이 생성될 수 있다.

또 다른 실시예가 원격 표적 상의 초음파 표면 변위를 검출하기 위한 초음파 표면 검사 시스템을 제공한다. 이 시스템은 초음파 생성 시스템과, 검출 레이저(가령, 앞서 설명된 것과 같은 검출 레이저)와, 채집 광소자와, 프로세서를 포함한다. 초음파 발생 시스템은 원격 표적에서의 초음파 표면 변위를 생성한다. 이는 기P적으로 이뤄질 수 있거나, 레이저 초음파 발생 시스템을 이용하여 이뤄질 수 있다. 다이오드 펌핑형 검출 레이저가, 원격 표적의 초음파 표면 변위를 충분히 조명하는 검출 레이저 빔을 발생한다. 채집 광소자는 원격 표적에 의해 반사, 또는 산란된 다이오드 펌핑형 검출 섬유 레이저로부터 위상 변조된 광을 채집한다. 프로세서는 상기 위상 변조된 광을 광학적으로 처리하여, 원격 표적에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 포함하는 출력 신호를 생성할 수 있다. 그 후, 프로세서는 원격 표적의 구조적 무결성을 평가하기 위해 상기 출력 신호를 처리할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 원격 표적의 구조적 무결성을 평가하기 위해 원격 표적의 표면 상의 초음파 표면 변위를 측정하기 위한 대영역(large area) 복합 검사 시스템을 제공한다. 이 대영역 복합 검사 시스템은 초음파 발생 시스템과, 펄스형 검출 레이저와, 채집 광소자와, 광학 프로세서와, 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 초음파 발생 시스템은 원격 표적에서의 초음파 변위를 생성한다. 그 후, 검출 레이저는 검출 레이저 빔을 이용하여 초음파 표면 변위를 조명한다. 스캐닝 조립체가 검출 레이저의 조명 스팟과 원격 표적 간의 상대적 움직임을 발생한다. 이는, 빔의 방향을 재설정함으로써, 또는 검출 레이저 빔을 이동시킴으로써, 또는 원격 표적을 이동시킴으로써, 검출 레이저 빔을 스캐닝하여, 이뤄질 수 있다. 채집 광소자는 원격 표적에서의 초음파 표면 변위에 의해 반사, 또는 산란된 검출 레이저 빔으로부터 위상 변조된 광을 채집한다. 그 후, 광학 프로세서가 상기 채집 광소자에 의해 채집된 위상 변조된 광을 처리하여, 출력 신호를 생성할 수 있다. 그 후, 상기 신호 프로세서가 상기 광학 프로세서의 출력 신호를 처리하여, 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득할 수 있다. 그 후, 이 데이터는 원격 표적, 예를 들어, 복합 물질의 내부 구조의 무결성을 평가하기 위해 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 레이저 초음파 변위를 발생하고 검출하기 위한 발생 레이저 빔 및 검출 레이저 빔의 사용예를 도시한다.

도 2는 레이저 초음파 시스템의 기본 구성요소를 나타내기 위한 블록 다이어그램을 제공한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위해 연속 전치증폭기를 사용하는 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위한 연속 섬유 레이저 전치증폭기를 사용하는 섬유 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위한 연속 전치증폭기를 사용하는 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위한 연속 슬래브 레이저 전치증폭기를 사용하는 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 레이저 초음파 변위를 검출하기 위해 사용될 수 있는 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위해 연속 섬유 레이저 전치증폭기와 병렬 다이오드 펌핑형 증폭기를 사용하는 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 레이저 초음파 변위를 검출하기 위해 사용될 수 있는 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위해 연속 섬유 레이저와 병렬 다이오드 펌핑형 증폭기를 사용하는 전광섬유 펄스 검출 레이저를 도시한다.

도 9는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 논리 흐름 다이어그램을 도시 한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 도면에서 도시된다. 다양한 도면에서 유사한 도면부호가 유사한 구성요소를 일컫기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 레이저 초음파 시스템 내에서 사용되기 위한 검출 레이저(detection laser)를 제공한다. 본 발명의 실시예에 의해, 펄스 검출 레이저가 제공된다. 상기 펄스 검출 레이저는 단일 주파수 오실레이터와, 연속 전치증폭기(continuous pre-amplifier)와, 펄스형 증폭기(pulsed amplifier)를 포함한다. 상기 단일 주파수 오실레이터가 시드 레이저 빔(seed laser beam)을 발생하며, 상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결된다. 상기 연속 전치증폭기가 시드 레이저를 증폭하여, 중간 파워 레이저 빔(intermediate power laser beam)을 생성할 수 있다. 상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되는 펄스형 증폭기가 중간 파워 레이저 빔을 수신하고, 상기 중간 파워 레이저 빔을 증폭시켜서, 펄스 검출 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이러한 펄스 검출 레이저의 한 가지 작업은 초음파 변위(ultrasonic displacement)를 조명하기 위함이다. 레이저로부터의 광은 산란되고, 채집되며, 간섭계에 의해 분석되어, 부품의 표면에서 상기 초음파의 리턴 에코(return echo)에 의해 발생된 초음파 변위를 복조할 수 있다.

이 펄스 검출 레이저는 다양한 방식으로 구조될 수 있다. 한 가지 접근법은 마스터 오실레이터로서 단일-주파수 비-평면 환형 오실레이터(NPRO: Non-Planar Ring Oscillator)를 이용하고, 그 후, 둘 이상의 레이저 증폭기에 의해 뒤 이은 증폭을 하는 것이다.

이전의 고체-상태 검출 레이저는 플래쉬-램프 펌핑형 막대(flash-lamp pumped rod) 구조, 또는 다이오드 펌핑형 슬래브(diode pumped slab) 구조 중 하나를 사용하여, 낮은 파워의 마스터 오실레이터 레이저를 증폭시켰다. 일반적으로 이러한 구성들은 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저라고 일컬어진다. 플래쉬-램프 펌핑형 레이저는 약 100㎐에서 동작할 수 있으며, 다이오드 펌핑형 슬래브 디자인은 400㎐에서 동작하지만, 이는 1㎑까지 확장될 수 있다. 통상의 펄스 프로파일은 50us 내지 100us에 대해 1000W의 피크 파워에 도달하기 위한 것이다. 레이저의 펄스 레이트는 레이저 시스템의 검사 산출량을 제한하는 요인들 중 하나이다.

초음파 변위의 간섭측정에 의해 검출(interferometric detection)은 안정적인 주파수 검출 레이저 빔을 요구한다. 요구되는 주파수 안정성은 비교적 낮은 파워의 레이저(즉, 수 ㎽ 내지 1 W의 파워)에 의해 얻어질 수 있다. 그러나 레이저-초음파 검사는 통상적으로 약 500 내지 1000와트의 피크 파워를 필요로 한다. 이러한 피크 파워는, 낮은 파워의 단일-주파수 레이저를 증폭시킴으로써 얻어진다. 짧은 지속시간(즉, 마이크로-초(㎲)) 동안 요구되는 피크 파워를 생성하는 펄스형 증폭기를 이용함으로써, 높은 피크 파워가 얻어진다. 펄스 검출 레이저를 생성하기 위해 낮은 파워의 단일-주파수 레이저를 증폭시키는 것은 상당한 레이저 이득을 필요로 하고, 여러 번의 증폭기 매질 통과를 필요로 한다. 높은 레이저 이득과 증폭 기 매질의 반복 통과는 레이저 빔을 변형시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 안정적인 낮은 파워의 단일-주파수 레이저를 중간 파워 레벨의 레이저 빔까지로 증폭시키기 위해 연속 전치증폭기를 적용시킴으로써, 펄스형 펌핑 파워의 레벨과 증폭 매질 통과 횟수가 감소된다. 이 중간 파워 레벨 레이저 빔은 5 내지 10와트의 수준일 수 있다.

본 발명의 실시예는 더 빠른 검사 속도와, 개선된 시스템 신뢰도와, 더 낮은 작동비용을 제공하고, 이동형의 휴대용 시스템을 가능하게 한다. 현재까지, 검사 속도는 레이저의 펄스 레이트에 의해 제한된다. 플래쉬-램프 펌핑형 레이저는 100㎐에서만 동작할 수 있으며, 상기 램프는 통상적으로 수백만 번의 샷(shot) 중 10회 동안만 지속된다. 다이오드 펌핑형 슬래브(diode pumped slab) 레이저는 훨씬 더 빠르지만(현재 한도는 400㎐이며, 1㎑가 가능할 수 있음), 상기 슬래브를 펄스-펌핑하기 위해 매우 비싼 사용자맞춤-제조된 다이오드 어레이를 사용한다. 다이오드 어레이의 수명이 개선되었을지라도, 일부는 10번의 샷 동안만 지속되며, 이 점은 지금까지 높은 비용, 신뢰성 및 열변형 때문에 걱정거리였다. 전치증폭기(pre-amplifier)에서 연속 다이오드를 사용하는 것이 증폭기 내에서 요구되는 펌프 다이오드의 개수를 감소시킨다. 따라서 예를 들어, 크리스털 슬래브(crystal slab)의 고-파워 펄스형 다이오드 펌핑에 의해 발생하는, 레이저의 파형 품질을 제한하는 열변형과 같은 변형이 감소될 수 있다. 파면 변형은 레이저의 유효 파워를 제한할 수 있고, 표적으로의 빔의 효과적인 광섬유 전달을 방해할 수 있다.

다이오드 어레이의 각각의 다이오드 바(diode bar)가 40W 내지 100W의 피크 파워를 가질 수 있으며, 레이저 슬래브의 측부를 효과적으로 펌핑하기 위해, 상기 다이오드 바는 서로에 대해 물리적으로 밀접해야 한다. 하나의 어레이 내의 다이오드 바의 총 개수는 50 내지 100개일 수 있다(하나의 어레이가 상기 슬래브의 각각의 측부를 펌핑함으로써, 200개의 다이오드 바가 사용될 수 있을 것이다). 열 제거와 열 변형은 다이오드 어레이와 슬래브 모두에 있어서 중요한 설계 문제가 된다.

전치증폭기 내에서 시드 레이저(seed laser)를 증폭시키기 위해 소형의 지속파(CW) 다이오드를 사용하는 것은 몇 가지 이점을 갖는다. 첫째, 연속 다이오드를 사용함으로써, 펌프 다이오드의 개수가 감소될 수 있다. 연속 다이오드는 덜 비싸고 더 신뢰할만하다. 덧붙이자면, 펌프 다이오드와 연계된 이득 요구치가 더 작기 때문에, 증폭 후의 최종 레이저 빔이 전파 속성을 개선한다. 또한 증폭기 내에서 펌핑된 다이오드로부터의 열 제거의 요구치가 감소된다.

레이저 스테이지(즉, 단일 주파수 오실레이터, 연속 전치증폭기 및 펄스형 증폭기)가 부분적으로, 또는 전적으로 섬유 레이저(fiber laser)로서 구현될 때, 섬유 레이저/증폭기의 열 관리는, 종래의 벌크 크리스털 이득 매질 내에서보다 더 쉽게 다뤄진다. 체적에 대한 (열이 추출되는) 섬유 표면 영역의 비는 슬래브 증폭기의 체적에 대한 표면의 비보다 수백배 이상 더 크다. 섬유-레이저는 파면 변형이 거의 없는 싱글모드(TEM00)로 동작할 수 있다(M^2 < 1.2). cw 모드, 또는 변조된(펄스형) 모드에서 동작할 수 있는 섬유 레이저를 이용할 때, 속도 제한 요인은 레이저 속도가 아니라, 초음파 전파 시간 및 스캐닝 능력이 된다. 효과적인 스캔 속도는 10㎑ 이상일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 검출 레이저의 사용을 도시한다. 레이저 초음파 변위를 발생하고 검출하는 2개의 유입 레이저 빔(incoming laser beam)이 대상의 표면으로 향해진다. 레이저 빔(102)은 초음파를 발생하며, 검출 레이저 빔(104)이 원격 표적(106)(예를 들어, 테스트 중인 복합 물질)에서 초음파를 검출한다. 나타나다시피, 이들 레이저는 원격 표적(106)에 동축으로 적용될 수 있다. 발생 레이저 빔(102)에 의해, 표적(106)의 열-탄성 팽창(thermo-elastic expansion)(112)이 야기되며, 이로 인해 초음파 물결(108)의 형성이 야기된다. 여러 다른 실시예에서, 발생 레이저 빔에 의해 표적(106)의 부식이 초래된다. 초음파 물결(108)은 표적(106) 내에서 전파되고, 검출 레이저 빔(104)을 변조하여, 위상-변조된 광(110)을 생성할 수 있다. 상기 위상-변조된 광은 표적(106)의 표면에 의해 산란 및/또는 반사된다. 산란된 광은 채집되고 처리되어, 상기 원격 표적(106)의 내부 구조의 정보를 획득할 수 있다. 본원에서 위상 변조가 언급될 때, 이는 주파수 변조에도 해당됨을 이해해야 한다. 왜냐하면, 위상 변조의 시간 미분이 주파수 변조에 대항하기 때문이다. 본원에서 변조라는 용어는 시간 함수로서의 변형을 의미하기 때문에, 임의의 위상 변조는 주파수 변조에 대응한다.

도 2는 초음파 레이저 테스트를 수행하기 위한 기본 구성요소를 갖는 블록 다이어그램을 제공한다. 발생 레이저(210)가 레이저 빔(212)을 생성하고, 광학 조립체(optical assembly)(214)가 표적(216)으로 상기 레이저 빔(212)을 향하게 한다. 나타나다시피, 광학 조립체(214)는 레이저 빔(212 및 224)을 스캔 플랜(또는 테스트 플랜)(218)을 따라 이동시키는 스캐너, 또는 이와 유사한 그 밖의 다른 수 단을 포함한다. 또한 스캔 또는 테스트 플랜(218)은, 조립체(214)를 통과하는 표적(216)의 움직임에 의해, 또는 표적(216)의 움직임과 레이저 빔(212 및 224)의 움직임의 조합에 의해, 생성될 수 있다. 광학 조립체(214)는 시각 카메라(visual camera), 깊이 카메라(depth camera), 범위 검출기(range detector), 협대역 카메라(narrowband camera), 또는 해당 업계 종사자에게 자명한 이와 유사한 그 밖의 다른 광학 센서를 포함할 수 있다. 이들 광학 센서는 각각, 검사를 수행하기 전에 교정을 필요로 할 수 있다. 이러한 교정은 다양한 센서에 의해 수집된 정보를 통합시키기 위한 시스템의 기능을 검증한다. 발생 레이저(210)는 표적(216) 내에서 초음파 물결(108)을 생성한다.

상기 초음파 물결(108)은, 복합 물질이 발생 레이저 빔을 흡수함에 따른 상기 복합 물질의 열-탄성 팽창(112)의 결과이다. 원격 표적(216), 예를 들어, 복합 물질은 부식이나 깨짐 없이, 발생 레이저 빔(212)을 쉽게 흡수한다. SNR 문제를 극복하기 위한 더 높은 파워의 발생 레이저가 반드시 선호되는 것은 아닌데, 왜냐하면 이는 부식을 초래할 수 있기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 테스트되는 물질에 따라서, 검출된 신호의 SNR을 증가시키기 위해, 약간의 부식은 허용될 수 있다. 발생 레이저 빔(212)은 초음파 표면 변형을 유도하기 위한 적정한 펄스 지속시간을 갖는다. 예를 들어, TEA(transverse-excited atmospheric) CO₂ 레이저는, 100나노초(nanosecond) 펄스에 대해 10.6미크론(micron)의 파장 빔을 생성할 수 있다. 레이저의 파워는, 예를 들어, 0.25줄(joule) 펄스를 표적으로 전달하기에 충분해야 하며, 이는 400㎐ 펄스 반복률에서 100와트 레이저를 필요로 할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 발생 레이저 빔(212)이 흡수되어, 표적 표면으로의 열을 생성한고, 이로 인해서 부식 없는 열-탄성 팽창이 야기된다. 본 발명의 여러 다른 실시예에서, 발생 레이저 빔(212)이 흡수되며, 표적 표면에서 부식을 초래하기에 충분한 열을 생성하고, 이는 초음파 물결 발생의 메인 수단이 된다.

펄스 모드, 또는 지속파 모드에서 동작하는 조명(검출) 레이저(220)가 초음파 변위를 포함하지 않는다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다. 이 레이저의 파워는, 예를 들어, 100밀리-줄(milli-joule)의 100마이크로초(micro-second) 펄스를 전달하기에 충분해야 하며, 이는 1킬로와트의 레이저를 필요로 할 수 있다. 검출 레이저(220)는 검출 레이저 빔(222)을 발생한다. 검출 레인저(220)는 본 발명의 실시예에 따라 제공되는 펄스 검출 레이저일 수 있다. 이 펄스 검출 레이저의 다양한 실시예가 도 3을 참조하여, 이하에서 설명될 것이다. 검출 레이저(220)는 필터링 수단(224)을 포함하거나, 상기 필터링 수단(224)과 광학적으로 연결되어, 검출 레이저 빔(224)으로부터 노이즈를 제거할 수 있다. 광학 조립체(214)는 검출 레이저 빔(224)을 복합 물질(216)의 표면으로 향하게 하며, 상기 복합 물질(216)은 검출 레이저 빔(224)을 산란 및/또는 반사시킨다. 채집 광소자(collection optic)(226)에 의해, 최종 위상 변조된 광이 채집된다. 나타나다시피, 산란 및/또는 반산된 검출 레이저 광이 광학 조립체(214)를 다시 통과한다. 선택사항인 광학 프로세서(228)와 간섭계(230)가 위상 변조된 광을 처리하여, 복합 물질(216)의 표면에서의 초음파 변위를 나타내는 정보를 포함하는 신호를 생성할 수 있다. 데이터 프로세싱 및 제어 시스템(232)이 레이저 초음파 시스템 구성요소의 동작을 조절한다.

데이터 프로세싱 및 제어 시스템(232)은 하나의 단일 프로세싱 장치, 또는 다수의 프로세싱 장치일 수 있다. 이러한 프로세싱 장치는 마이크로프로세서, 마이크로-제어기, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컴퓨터, 중앙 처리 유닛, 현장 프로그램 가능한 게이트 어레이, 프로그램 가능한 로직 장치, 상태 머신, 논리 회로, 아날로그 회로, 디지털 회로, 메모리에 저장된 동작 인스트럭션을 바탕으로 신호(아날로그 및/또는 디지털)를 조작하는 임의의 장치 중 하나 이상일 수 있다. 상기 메모리는 하나의 단일 메모리 장치, 또는 다수의 메모리 장치일 수 있다. 이러한 메모리 장치는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 휘발성 메모리, 비-휘발성 메모리, 정적 메모리, 동적 메모리, 플래쉬 메모리, 캐쉬 메모리, 디지털 정보를 저장하는 임의의 장치 중 하나 이상일 수 있다. 상기 메모리는, 이하에서 설명될 단계 및/또는 기능 중 일부, 또는 전부에 대응하는 동작 인스트럭션을 저장하고, 데이터 프로세싱 및 제어 시스템(232)이 상기 동작 인스트럭션을 실행시킨다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 도 2의 검출 레이저(220)로서 사용될 수 있는 펄스 검출 레이저(300)를 도시한다. 펄스 검출 레이저(300)가 단일 주파수 오실레이터(302)와, 연속 전치증폭기(304)와, 펄스형 증폭기(306)를 포함한다. 단일 주파수 오실레이터(302)는 시드 레이저 빔(seed laser beam)(308)을 발생하고, 연속 전치증폭기(304)로 광학적으로 연결된다. 예를 들어, 시드 레이저 빔(308)의 파워는 약 2㎽ 내지 1W일 수 있다. 연속 전치증폭기(304)가 시드 레이저 빔(308)을 증폭시켜서, 중간 파워 레이저 빔(intermediate power laser beam)(310)을 생성할 수 있다. 이 실시예와 이하의 실시예에서, 연속 전치증폭기(304)는 하나의 단일 증폭 스테이지로 구성되거나, 둘 이상의 증폭 스테이지로 구성될 수 있다. 펄스형 증폭기(306)는 연속 전치증폭기(304)로 광학적으로 연결되고, 중간 파워 레이저 빔(310)을 수신하며, 중간 파워 레이저 빔(310)을 증폭시켜서, 펄스 검출 레이저 빔(312)을 생성할 수 있다. 이 실시예와 이하의 실시예에서, 펄스형 증폭기(306)는, 레이저-초음파 시스템의 획득 속도(acquisition rate)를 적응시키도록, 그리고 이에 따라서 표적에 의해 흡수되는 총 검출 레이저 파워를 제한하도록 변조된 출력을 갖는 연속 증폭기일 수 있다. 일부 경우에서, 연속 전치증폭기(304)의 출력 파워, 또는 그 일부분이 변화될 수 있다. 이러한 파워 변화는, 표적이 검출 레이저 빔을 강력하게 반사시킬 때, 검출 일렉트로닉스를 보호하기에 필수적일 수 있다. 이러한 경우는 매우 제한적이며, 따라서 전치증폭기(304)는 연속(CW) 증폭기로서 간주된다. 예를 들어, 시드 레이저 빔(308)의 파워는 약 2㎽ 내지 1W일 수 있으며, 중간 파워 레이저 빔(310)의 파워는 약 10 내지 100W cw일 수 있고, 펄스 검출 레이저 빔(312)의 파워는 약 500 내지 1000W 펄스될 수 있다.

도 3에서 도시된 검출 레이저(300)의 실시예는 마스터 오실레이터(302)를 사용할 수 있다. 상기 마스터 오실레이터(302)는, 광섬유(314)를 이용하여 연속적으로 동작하는 다이오드 펌핑형 섬유 연속 전치증폭기(306)로 연결되는 섬유일 수 있다. 마찬가지로, 전치증폭기(306)에 의해 생성된 증폭된 레이저 빔(310)이, 광섬유를 통해, 펄스형 증폭기(306)로 전달될 수 있다. 펄스 검출 레이저 빔(312)이 상기 광섬유(316)를 이용하여 검사될 물질로 적용된다. 마스터 오실레이터(302)는, 섬유에 의해 연결되는 출력을 갖는 다이오드 펌핑형 비-평면 환형 오실레이터(NPRO: Non-Planar Ring Oscillator)일 수 있으며, 상기 출력에 의해, 발생된 시드 검출 레이저 빔(308)이, 광섬유(314)를 통해, 전치증폭기(304)로 전달될 수 있다. 또 다른 접근법이 마스터 오실레이터(302)로서 하나의 섬유 레이저를 이용하고, 전치증폭기(304)와 증폭기(306)로서 하나 이상의 섬유 레이저(가령, 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기)를 이용함으로써, 전광섬유 단일-주파수 레이저(all fiber single-frequency laser)를 구성할 수 있다.

이 실시예에서, 전치증폭기(304)는 섬유-결합된 출력을 갖는 다이오드 펌핑형 섬유 연속 전치증폭기일 수 있으며, 상기 출력에 의해, 중간 파워 레이저 빔(310)이, 광섬유를 통해, 증폭기(306)로 제공될 수 있다. 또한 전치증폭기는 다이오드, 또는 램프 펌핑형 막대, 또는 슬래브일 수 있다. 예를 들어, 레이징 물질(lasing material)은 Nd:YAG, 또는 Yb:YAG, 또는 Nd:YVO4 등일 수 있다. 이러한 물질은 1회 통과 , 또는 다회 통과 증폭기로서 구성될 수 있다. 증폭기(306)는 섬유-결합된 출력을 갖는 다이오드 펌핑형 섬유 펄스형 증폭기일 수 있으며, 상기 출력에 의해, 광섬유를 통과하는 펄스 검출 레이저 빔이 가능하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 섬유 레이저만을 사용하는 검출 레이저(400)의 두 번째 실시예를 도시한다. 이 경우, 마스터 오실레이터(302)가 둘 이상의 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기(304 및 306)로 연결된다. 전과 마찬가지로, 마스터 오실레이터(302)는 광섬유(314)로의 섬유-결합된 출력을 갖는다. 마스터 오실 레이터(302)는 섬유-결합된 출력을 갖는 다이오드 펌핑형 단일 주파수 섬유 레이저일 수 있다. 마스터 오실레이터(302)는 시드 레이저(308)를 발생하고, 상기 시드 레이저(308)는 광섬유(314)를 통해 다이오드 펌핑형 전치증폭기(304)로 전달된다. 예를 들어, 마스터 오실레이터(302)에 의해 생성되는 레이저 빔(302)은 2-25㎽ 레이저일 수 있다. 다이오드 펌핑형 연속 전치증폭기(304)가 중간 파워 레이저 빔(310)의 파워를 10 내지 100W까지로 증가시킬 수 있다. 증폭기(306)가 사용되어, 검출 레이저의 파워를 500-1000W 까지 추가로 증가시킬 수 있다. 그 후, 광섬유(316)를 이용하여, 섬유 펌핑형 증폭기(306)의 출력이 테스트되는 물질로 전달된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 검출 레이저로서 사용될 수 있는 펄스 검출 레이저(500)를 도시한다. 펄스 검출 레이저(500)는 단일 주파수 오실레이터(302)와, 연속 전치증폭기(304)와, 펄스형 증폭기(306)를 포함한다. 이 실시예는 도 3을 참조하여 설명된 실시예와 유사하게 동작한다. 이 실시예에서, 도 5의 증폭기는 도 3에서 설명된 증폭기와, 상기 증폭기(306)는, 펄스 검출 레이저 빔을 광섬유를 통해 전달되게 하는 섬유에 의해 연결되는 출력을 갖는 고체 상태 펄스형 증폭기일 수 있다는 점에서 다르다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 검출 레이저로서 사용될 수 있는 펄스 검출 레이저(600)를 도시한다. 펄스 검출 레이저(600)는 단일 주파수 오실레이터(302)와, 연속 전치증폭기(304)와, 펄스형 증폭기(306)를 포함한다. 이 실시예는 도 3을 참조하여 설명된 실시예와 유사하게 동작한다. 이 실시예에서, 도 6의 전치증폭 기(304)와 증폭기(304)는 도 3에서 도시된 것과, 상기 전치증폭기(304)가 다이오드 펌핑형 고체 상태 연속 증폭기이며, 증폭기(306)는 다이오드 펌핑형 고체 상태 펄스 증폭기일 수 있다는 점에서 다르다. 도시되는 바와 같이, 구성요소들은 자유 공간, 또는 광섬유를 통해, 광학적으로 연결될 수 있다. 펄스형 검출 레이저 빔(312)은 광섬유(316)를 통해 전달될 수 있다.

단일 증폭기에 의해 생성되는 단일-주파수 복사(radiation)의 파워의 레벨은 물리적 현상, 이른바 유도 브릴루앙 산란(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)에 의해 제한될 수 있다. SBS가 발생할 때, 상기 증폭기는 거울로서 기능하여, 복사를 마스터 오실레이터 쪽으로 되돌려 반사시키는데, 이로 인해, 오실레이터가 손상을 입을 수 있으며, 이는 출력 파워를 심각하게 제한한다. 일반적으로, 섬유와 증폭기 섬유는 50미크론 이하의 통상의 직경을 갖는 싱글모드 섬유(single-mode fiber)이다. SBS가 발생하는 파워 임계값은 섬유 직경값의 제곱에 비례한다. 섬유 증폭기의 요망 섬유 직경에 대한 SBS의 파워 임계치를 초과하는 파워 레벨에서 단일-주파수 복사를 생성하기 위해, 몇 개의 병렬 섬유 증폭기가 사용될 수 있으며, 이때, 각각의 증폭기는 자신의 고유 SBS 임계값 이하의 파워를 생성한다. 융착 접속(fusion splice)에 의해, 또는 그 밖의 다른 기법에 의해, 모든 증폭기의 출력 섬유들은 더 커다란 멀티모드 섬유(multimode fiber)로 조합되며, 이때 상기 멀티모드 섬유는 병렬 증폭기의 조합된 파워보다 큰 SBS 임계값을 갖는다. 도 7 및 8이 이러한 접근법을 본 발명의 2개의 실시예로서 제공한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 검출 레이저로서 사용될 수 있는 펄스형 검 출 레이저(700)의 또 다른 실시예를 도시한다. 펄스 검출 레이저(700)는 단일 주파수 오실레이터(302)와, 연속 전치증폭기(304)와, 펄스형 증폭기(306)를 포함한다. 이 실시예는 도 3을 참조하여 설명된 실시예와 유사하게 동작한다. 이 실시예에서, 도 7의 증폭기(306A, 306B 및 306C)는 도 3에서 도시된 증폭기(306)와 다르다. 출력 광섬유(316)는 통상적으로 50미크론 이상의 직경을 갖는 큰 코어 직경 섬유(large core diameter fiber)이며, 제 2 스테이지 증폭기는 다수의 병렬 다이오드 펌핑형 증폭기(306A, 306B 및 306C)를 갖는다. 이들 병렬 다이오드 펌핑형 증폭기의 출력은 하나의 단일 광섬유 내에서 조합될 수 있다. 마스터 오실레이터(302)가 시드 레이저 빔(308)을 생산하고, 상기 시드 레이저 빔(308)은 섬유에 의해 연결되는 출력(318)을 통해, 광섬유(314)로 제공된다. 이 예시의 하나의 실시예에서, 마스터 오실레이터(302)의 파워 출력은 약 25밀리와트(milli-watt)의 파워를 갖는 레이저 빔(308)을 생산할 필요성을 가질 수 있다. 예를 들어, 전치증폭기(304)는 이 레이저 빔의 파워를 약 5-10와트까지로 증가시킬 수 있다. 그 후, 3개의 병렬 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기(306A, 306B 및 306C)가 각각 전치증폭기(304)의 출력으로 연결된다. 각각의 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기는 자신의 고유 SBS 임계값보다 낮은 파워를 생성한다. 상기 3개의 병렬 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기(306A, 306B 및 306C)는 출력 레이저 빔(312)의 파워를 크게 증가시킬 수 있다. 이 예시에서 나타나다시피, 다이오드 펌핑형 섬유 증폭기의 구성을 사용할 때, 멀티모드 출력은 1,000 와트 이상일 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 검출 레이저의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 예시에서, NPRO와 반대로, 마스터 오실레이터(302)는 다이오드 펌핑형 단일 주파수 섬유 레이저로 대체되었다.

마스터 오실레이터 및 섬유 증폭기와 연계되는 상기 섬유 레이저는, (1) 약 1000㎚의 파장의 복사를 발생하기 위한 이테르븀 도핑된 섬유, 또는 (2) 약 1550㎚의 파장의 복사를 생성하기 위한 에르븀 도핑된, 또는 co-도핑된 섬유일 수 있다. 섬유 레이저는, 펌핑 다이오드가 펌핑 섬유를 통해 활성 섬유로 연결되는 측부 클래딩 펌핑(side cladding pumping)을 사용할 수 있다. 이들 펌핑 다이오드는 단일 에미터(emitter), 단일 에미터들의 그룹, 다이오드 바(diode bar), 다이오드 바의 그룹 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

레이저 섬유를 펌핑하기 위해, 다수의 소형 연속파(CW) 다이오드를 사용함으로써, 각각의 섬유-결합된 펌프 다이오드의 파워는 비교적 작을 수 있다(통상적으로 수 와트(watt)만 사용). 따라서 다이오드 중 임의의 하나, 또는 그 일부분의 손실이 발생될 레이저의 전체적인 성능에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.

최종 증폭기의 요구치를 감소시킴으로써, 레이저 빔(312)의 파형 프로파일의 열 제거 문제 및 열 변형이 크게 감소된다. 섬유-결합된 다이오드로부터의 열 제거는, 이득과 별도로, 관리될 수 있다. 덧붙이자면, 이러한 낮은 파워 다이오드는, 다이오드 슬래브형 레이저의 슬래브에서 현재 이용가능한 증가된 평균 고장 간격(MTBF: mean time between failure)을 제공하는 것이 통상적이다. 종래의 벌크 크리스털 이득 매질을 사용하는 경우와 비교할 때, 섬유 레이저 클래스 증폭기의 열 관리가 크게 개선된다. 이는 레이저가 발생되거나 증폭되는 섬유의 체적에 대한 (열이 제거되는) 표면적의 비가 슬래브 증폭기와 연계된 벌크-표면 체적 비의 수 백배 이상이기 때문이다. 따라서 섬유 레이저는, 파면 변형을 거의 갖지 않는 싱글모드로 동작할 수 있다. 섬유 레이저는 CW 모드, 또는 변조된 펄스 모드로 동작할 수 있기 때문에, 속도 제한 요인은 레이저 속도가 아니라, 테스트될 물질 내에서의 초음파 전파 시간과, 검출 레이저를 스캐닝하기 위해 사용되는 다른 구성요소의 스캐닝 능력이 된다. 이로 인해서 유효 스캔 속도가 10㎑ 이상이 될 수 있다. 이는 기존 시스템의 스캔 속도에 비교할 때 상당한 개선을 제공한다. 이에 덧붙여, 이러한 유연한 구조에 의해, 거친 산업 환경에 적합한 이동형의 휴대용 레이저 초음파 검사 시스템 설계가 가능해질 수 있다.

도 9는 레이저 초음파 검사 시스템 내에서 검출 레이저가 발생하는 과정을 도시하는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르는 논리 흐름 다이어그램을 제공한다. 동작(900)은, 단계(902)에서의 시드 검출 레이저(seed detection laser)의 발생으로 시작한다. 이러한 시드 검출 레이저 빔은 낮은 파워를 가질 수 있다. 즉, 스테이지에서 증폭될 수 있는 25밀리와트(milli-watt) 수준의 레이저 빔일 수 있다. 이 시드 검출 레이저 빔은, NPRO, 또는 하나의 펌핑형 단일 주파수 섬유 레이저, 또는 시드 검출 레이저를 발생하는 것으로 알려진 그 밖의 다른 수단을 이용하여, 발생될 수 있다. 그 후, 단계(904)에서 하나 이상의 다이오드 펌핑형 연속 전치증폭기를 이용하여, 시드 레이저 빔이 증폭될 수 있다. 이로 인해, 중간 파워 레벨을 갖는 중간 레이저 빔이 도출된다. 그 후, 단계(906)에서, 상기 중간 레이저 빔이, 하나 이상의 다이오드 펌핑형 펄스 증폭기를 이용하여 증폭되어, 펄스형 검 출 레이저를 생성할 수 있다. 앞서 설명된 실시예에서, 검출 레이저의 파워를 25밀리와트(milli-watt)에서 1,000 이상 와트(watt)까지 증가시키기 위해, 다이오드 펌핑형 섬유 레이저 증폭기들의 다양한 조합이 사용되었다. 단계(908)에서, 검출 레이저 빔이 표적으로 전달된다.

동작 중에, 본 발명에 의해, 레이저 초음파 테스트 기기가 더 복잡한 표면이나 접근이 제한된 영역 내의 표면을 테스트하면서, 더 넓은 범위의 환경에서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 검출 레이저 빔을 발생하고, 가능하다면 발생 레이저 빔을 테스트될 원격 표적으로 전달하기 위해 섬유 레이저를 사용할 수 있다. 이로써, 레이저 초음파 시스템의 전체 크기가 크게 감소될 수 있다. 예를 들어, 큰 갠트리(gantry) 기반 시스템 대신, 훨씬 더 작은 로봇 시스템이 사용되어, 발생 및 검출 레이저 빔을 테스트될 표적의 표면으로 전달할 수 있다. 이로 인해서, 본 발명의 실시예에 의해 제공되는 레이저 초음파 검사 시스템이 사용되어, 개별적인 구성요소를 검사할 뿐 아니라, 완성 구성요소의 내부 구조를 평가할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 의해 제공되는 레이저 초음파 시스템에 의해 개별적인 부품이 검사될 수 있을 뿐 아니라, 상기 개별적인 부품들로 이루어진 조립된 구조물도 검사될 수 있다. 이로 인해서, 완성 구조물이 구성된 후에도, 상기 구조의 수명 동안 내부 구조에 어떠한 변화가 존재하는가를 알아보기 위한 검사가 이뤄질 수 있다. 덧붙이자면, 본 발명의 실시예는, 현장에서 사용 중에, 검출 레이저 빔의 검출 값의 자유 공간 전달과 관련된 문제없이, 원격 표적에서의 초음파 변위를 검출하기 위해 섬유 레이저를 사용하는 완전 이동형 시스템을 제공할 수 있다.

섬유 레이저는 이테르븀 도핑된 섬유를 이용함으로써, 산업 레이저-초음파 검사를 위해 현재 사용되는 1064㎚ 파장과 유사하거나, 동일한 파장의 레이저 방사(laser emission)를 생성할 수 있다. 따라서 이테르븀 도핑된 섬유는, 어떠한 광소자 및 검출기도 대체할 필요 없이, 현재 사용되고 있는 다이오드 펌핑형(또는 플래쉬 펌핑형) 막대(또는 슬래브) 검출 레이저를 대체할 수 있다. 그러나 에르븀 도핑된, 또는 에르븀-co 도핑된 섬유가 약 1550㎚ 파장의 레이저 방사를 생성할 수 있다. 일반적으로 이 파장 범위는 눈에 안전한 것으로 검증되었다. 약 1000㎚의 파장에 비교해서, 상기 눈에 안전한 파장을 사용할 때, 안전 요구치가 상당히 감소된다. 레이저-초음파 검사 시스템이 개방 현장에서, 또는 제조 환경에서 사용될 때, 이러한 감소된 안전 요구치는 자본과 동작 비용의 감소로 해석되어질 수 있다.

약 1550㎚의 파장에서 동작하는 검출 레이저를 이용하는 것의 추가적인 이점은, 원격통신을 위해 개발된 검출기, 변조기, 광섬유 등의 많은 광학 기술에 영향을 미칠 수 있다는 것이다.

섬유 레이저 및 섬유 증폭기는, 여러 다른 접근법을 이용하여, 펌핑될 수 있다. 가장 일반적인 접근법은, 섬유 레이저나 증폭기의 클래딩에 펌핑 방사가 삽입되는 클래딩-펌핑(cladding-pumping)이다. 클래딩 펌핑은 클래딩 단부로부터 이뤄지거나(end pumping), 클래딩 측부로부터 이뤄질 수 있다(side pumping). 사이드 펌핑(side pumping)은 엔드 펌핑(end pumping)이나 동축 펌핑(coaxial pumping)의 어려움을 해소하는데, 이때, 탈-축 코어(off-axis core)가 설계되거나, 꼬임 능동 및 펌프 섬유가 설계된다. 덧붙이자면, 융용-섬유 결합(fused-fiber coupling)이 광소자를 포커싱하고 정렬할 필요성을 해소하고, 엔드 펌핑이나, V-홈 펌핑 등의 그 밖의 다른 설계보다 더 견고하다.

개별 다이오드와 클래딩 사이드 펌핑 기법을 이용함으로써, 신뢰성에 어떠한 역효과도 미치지 않고, 추가적인 펌프 아이오드를 삽입함에 따라 파워가 조절될 수 있다. 개별 다이오드의 수명은 다이오드 바의 수명보다 수 백배 이상 더 길다. 덧붙이자면, 단일 에미터(emitter)는 서로에 대해 독립적이며, 다이오드 바와는 달리, 하나의 에미터가 고장나면, 이러한 고장이 그 밖의 다른 어떠한 에미터에 영향을 미치지 않는다. 결론적으로, 하나의 에미터가 고장난 경우, 다수의 다이오드 에미터로 인해, 섬유 레이저, 또는 증폭기의 총 출력 파워의 감소가 매우 작다.

요컨대, 본 발명은 초음파의 광학 검출을 위한 개선된 레이저에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의해 펄스 검출 레이저가 제공된다. 상기 펄스 검출 레이저는 단일 주파수 오실레이터와, 연속 전치증폭기와, 펄스형 증폭기를 포함한다. 상기 단일 주파수 오실레이터는 시드 레이저 빔을 발생하고, 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결된다. 상기 연속 전치증폭기는 시드 레이저를 증폭시켜서, 중간 파워 레이저 빔을 생성할 수 있다. 상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되는 펄스형 증폭기는 중간 파워 레이저 빔을 수신하고, 중간 파워 레이저 빔을 증폭시켜서, 펄스 검출 레이저 빔을 생성할 수 있다. 이러한 펄스 검출 레이저의 하나의 업무는 초음파 변위를 조명하는 것이다. 레이저로부터의 광이 산란되고, 채집되며, 간섭계에 의해 분석되어, 부품의 표면에서 초음파의 리턴 에코에 의해 발생된 초음파 변위를 복조할 수 있다.

해당업계 종사자라면, 용어 “실질적으로”, 또는 “거의”는 본원에서 사용될 때, 대응하는 용어에 산업적으로 허용되는 오차를 제공한다. 이러한 산업적으로 허용되는 오차는 1% 이하 내지 20%의 범위를 갖고, 성분 값, 집적 회로 프로세스 변화, 온도 변화, 상승 및 하강 시간, 열 노이즈 중 하나 이상에 대응한다. 해당업계 종사자라면, 용어 “기능적으로 연결된”은 본원에서 사용될 때, 직접 연결과, 또 다른 구성요소, 요소, 회로, 또는 모듈을 통한 간접 연결을 포함하며, 이때, 간접 연결에 있어서, 중간 구성요소, 요소, 회로, 또는 모듈은 신호의 정보를 수정하지 않지만, 전류 레벨, 전압 레벨, 파워 레벨 중 하나 이상은 조정할 수 있다. 해당업계 종사자라면, 논리적 연결(즉, 하나의 요소가 또 다른 요소로 논리적으로 연결되어 있는 연결)은 2개의 요소들 간에 직접 및 간접 연결을 포함한다. 해당업계 종사자라면, 용어 “바람직한 비교”는 본원에서 사용될 때, 둘 이상의 요소, 아이템, 신호 등 간의 비교가 바람직한 관계를 제공함을 나타낸다. 예를 들어, 바람직한 관계가 신호 1이 신호 2보다 더 큰 크기를 갖는 것일 때, 신호 1의 크기가 신호2의 크기보다 클 때, 또는 신호 2의 크기가 신호 1의 크기보다 작을 때, 바람직한 비교가 얻어질 수 있다.

Claims

부품을 검사하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

상기 부품의 표면으로 발생 레이저 빔을 지향시켜 초음파 변위를 발생하는 단계와,

마스터 오실레이터를 이용해 연속 시드 레이저(seed laser) 빔을 발생하는 단계와,

상기 마스터 오실레이터에 의한 연속 시드 레이저 빔을 자유 공간을 통해 연속 전치증폭기(continuous pre-amplifier)로 지향시켜 상기 연속 전치증폭기를 이용해 연속 시드 레이저 빔을 증폭하여, 연속 중간 파워 레이저 빔을 생성하는 단계와,

상기 연속 중간 파워 레이저 빔을 필터링 없이 자유 공간을 통해 펄스형 증폭기(pulsed amplifier)로 지향시켜 상기 펄스형 증폭기를 이용하여 상기 연속 중간 파워 레이저 빔을 증폭하여, 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하고, 상기 펄스형 검출 레이저 빔을 산란시키는 초음파 변위로 상기 펄스형 검출 레이저 빔을 지향시키는 단계와,

산란된 펄스형 검출 레이저 빔에 대한 정보를 광학적으로 수집하고, 그 정보를 처리하여 부품의 구조적 무결성을 결정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 연속 전치증폭기는, 다이오드 펌핑형 섬유 물질(diode pumped fiber material), 다이오드 펌핑형 막대 레이징 물질(diode pumped rod lasing material), 다이오드 펌핑형 슬래브 레이징 물질(diode pumped slab lasing material), 다이오드 펌핑형 박층 디스크 레이징 물질(diode pumped thin disc lasing material), 램프 펌핑형 박층 디스크 레이징 물질(lamp pumped thin disc lasing material), 램프 펌핑형 막대 레이징 물질(lamp pumped rod lasing material), 램프 펌핑형 슬래브 레이징 물질(lamp pumped slab lasing material), 및 이들의 조합으로 구성된 목록 중에서 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 펄스형 증폭기는,

다이오드 펌핑형 섬유, 또는

다이오드 펌핑형 고체 상태 레이징 물질

을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 시드 레이저(seed laser)는 상기 연속 전치증폭기로 섬유 결합되며,

상기 연속 전치증폭기는 펄스형 증폭기로 섬유 결합되는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 시드 레이저는, 자유 공간을 통해, 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되며,

상기 연속 전치증폭기는, 자유 공간을 통해, 펄스형 증폭기로 광학적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 시드 레이저는 단일 주파수 오실레이터에 의해 발생되며, 상기 단일 주파수 오실레이터는, 비-평면 환형 오실레이터(non-planar ring oscillator), 선형 캐버티 오실레이터(linear cavity oscillator), 섬유 오실레이터(fiber oscillator), 및 이들의 조합으로 구성된 목록 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 연속 전치증폭기는 1회 통과 증폭기(single pass amplifier), 또는 다회 통과 증폭기(multi-pass amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 원격 표적의 구조적 무결성을 평가하도록 데이터를 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 마스터 오실레이터가, 1000㎚의 파장의 복사선(radiation)을 생성하기 위한 이테르븀(Ytterbium)-도핑된 섬유, 1550㎚의 파장의 복사선을 생성하기 위한 에르븀(Erbium)-도핑된 섬유, 1550㎚의 파장의 복사선을 생성하기 위한 co-도핑된 섬유, 및 펌핑 다이오드(pumping diode)가 펌핑 섬유(pumping fiber)를 통해 능동 섬유(active fiber)로 연결되는 측부 클래딩 펌핑(side cladding pumping)을 갖는 섬유 레이저로 구성된 목록 중에서 선택된 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 펄스형 증폭기는 펌핑 다이오드를 포함하며, 상기 펌핑 다이오드는 단일 에미터(emitter), 단일 에미터들의 그룹, 다이오드 바(diode bar), 다이오드 바들의 그룹 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품을 검사하기 위한 방법.
원격 표적의 표면 내 초음파 표면 변위를 검출하기 위해 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위한 펄스형 검출 레이저(pulsed detection laser)에 있어서, 상기 레이저는

시드 레이저 빔(seed laser beam)을 발생하기 위한 단일 주파수 오실레이터와,

상기 단일 주파수 오실레이터로 광학적으로 연결되어 있으며, 시드 레이저를 증폭하여 중간 파워 레이저 빔을 생성하는 연속 전치증폭기(continuous pre-amplifier)와,

상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되어 있으며, 중간 파워 레이저 빔을 증폭하여 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하는 펄스형 증폭기(pulsed amplifier)

를 포함하며,

펄스형 검출 레이저 빔은 원격 표적의 표면으로 지향되고,

펄스형 검출 레이저 빔이 원격 표적의 표면의 일부분을 조명하고,

원격 표적의 표면의 조명된 부분 내 초음파 표면 변위는 펄스형 검출 레이저 빔을 산란시켜 위상 변조된 광을 생성하고,

상기 위상 변조된 광은 원격 표적 내 표면 및 구조물에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하도록 처리되며,

시드 레이저는 연속 전치증폭기로 섬유 결합되고,

연속 전치증폭기는 펄스형 증폭기로 섬유 결합되는 것을 특징으로 하는 펄스형 검출 레이저.
삭제
제 11 항에 있어서,

상기 펄스형 검출 레이저 빔은 원격 표적의 표면으로 지향되며,

펄스형 검출 레이저 빔은 원격 표적의 표면의 일부분을 조명하고,

원격 표적의 표면의 조명된 부분 내 초음파 표면 변위가 펄스형 검출 레이저 빔을 위상 변조하며,

광소자가, 상기 원격 표적의 표면에 의해 산란, 또는 반사된 검출 레이저 빔에 의해 생성된 위상 변조된 광을 채집하고,

상기 위상 변조된 광은, 원격 표적 내의 표면 및 구조물에서의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하도록 처리되는 것을 특징으로 하는 펄스형 검출 레이저.
제 11 항에 있어서, 단일 주파수 오실레이터는,

비-평면 환형 오실레이터(non-planar ring oscillator), 또는

선형 캐비티 오실레이터(linear cavity oscillator), 또는

섬유 오실레이터(fiber oscillator)

를 포함하는 것을 특징을 하는 펄스형 검출 레이저.
원격 표적의 표면 상의 초음파 표면 변위(ultrasonic surface displacement)를 측정하기 위한 대영역 복합 검사 장치에 있어서, 상기 장치는

원격 표적에 초음파 표면 변위를 생성하기 위한 초음파 발생 시스템,

펄스형 검출 레이저 빔(pulsed detection laser beam)을 이용하여 원격 표적의 표면 상의 초음파 표면 변위를 조명하기 위한 검출 레이저

를 포함하고, 상기 검출 레이저는

시드 레이저 빔(seed laser beam)을 발생하기 위한 단일 주파수 오실레이터,

단일 주파수 오실레이터로 광학적으로 연결되어 있으며, 시드 레이저 빔을 증폭하여, 중간 파워 레이저 빔을 생성하기 위한 연속 전치증폭기(continuous pre-amplifier),

상기 연속 전치증폭기로 광학적으로 연결되어 있으며, 중간 파워 레이저 빔을 증폭하여, 펄스형 검출 레이저 빔을 생성하기 위한 펄스형 증폭기(pulsed amplifier)

를 포함하고, 상기 장치는,

펄스형 검출 레이저 빔의 조명 스팟과 원격 표적의 표면 간에 상대적 움직임을 생성하기 위한 스캐닝 조립체(scanning assembly),

원격 표적에 의해 반사, 또는 산란된 상기 펄스형 검출 레이저 빔으로부터의 위상 변조된 광을 채집하기 위한 채집 광소자(collection optic),

채집 광소자에 의해 채집된 위상 변조된 광을 처리하고, 출력 신호를 생성하기 위한 광학 프로세서,

원격 표적의 표면 상의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하기 위해, 상기 출력 신호를 처리하는 프로세서

를 포함하는 것을 특징으로 하는 대영역 복합 검사 장치.
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