KR20090040318A - 초음파 레이저 테스트용 광섬유 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 레이저 초음파 시스템 내에 사용을 위한 광섬유 레이저를 제공한다. 이러한 "제 1 " 검출 레이저의 일차적인 기능은 테스트 중인 부분에서 초음파를 발생하도록 "제 2 " 레이저가 사용되는 스팟(spot)을 조명하기 위한 것이다. 제 1 레이저로부터의 확산 광이 수집되고 간섭계(interferometer)를 이용하여 분석되어 부분의 표면에서 초음파의 반향 에코에 의해 야기된 표면 진동을 검파한다. 고전력 단일-주파수 레이저원을 형성하도록 개선된 검출 레이저(제 1 레이저)가 다이오드-펌프 광섬유 레이저를 사용하여 구성된다.

Description

초음파 레이저 테스트용 광섬유 레이저{Fiber Laser For Ultrasonic Laser Testing}
본 발명은 넓게는 물질의 비파괴 검사 장치 및 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 물질의 비파괴 검사를 수행하기 위해 하나 이상의 광섬유 레이저 사용을 통해 초음파 표면 변위(displacement)를 검출하기 위한 광학 정보 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년간, 진보적인 복합 구조물의 사용으로 항공우주 산업, 자동차 산업 및 많은 다른 산업 분야에서 괄목할 만한 성장을 경험하였다. 복합 물질(composite material)은 성능면에서 현저한 향상을 보여주나, 제조 프로세스에서 그리고 물질이 완성된 제품으로 서비스된 후에도, 견고한 질적 제어 절차를 요한다. 구체적으로, 비파괴 검사(NDE:non-destructive evaluation) 방법은 복합 물질의 구조적 안전성(integrity)을 평가하여야 한다. 이러한 평가는 함유물(inclusion), 엷은 층으로 갈라지는 현상(delamination) 및 다공도(porosity)를검출한다. 일반적인 NDE 방법은 느리고, 노동-집약적이며, 비싸다. 결과적으로, 검사 절차는 복합 구조물과 관련된 제조 비용을 불리한 방향으로 증가시킨다.
다양한 방법 및 장치가 복합 구조물의 구조적 안전성을 평가하기 위해 제안 되어 왔다. 하나의 솔루션은 워크피스에 초음파 표면 변위를 발생시키기 위해 초음파 소스를 사용하며, 이는 이후에 측정 및 분석된다. 종종, 초음파의 외부 소스는 대상물을 향하는 펄스 발생 레이저 빔이다. 별도의 검출 레이저로부터의 레이저 광이 워크피스에서 초음파 표면 변위에 의해 확산된다. 수집 광학 장치가 이후에 확산된 레이저 에너지를 수집한다. 수집 광학 장치는 간섭계나 다른 장치에 연결되고, 복합 구조물의 구조적 완전성에 관한 데이터가 확산된 레이저 에너지의 분석을 통해 얻어질 수 있다. 레이저 초음파는 제조 프로세스 중에 부분 검사에 매우 효과적인 것으로 입증되었다.
그러나, 레이저 초음파를 위해 사용되는 설비는 맞춤-설계되며, 조사 속도에 관한 현재 제한 요인이 되고 있다. 종전의 고체-상태 검출 레이저는 저전력 마스터 오실레이터 레이저를 증폭시키기 위한 플래시-램프 펌프 로드 구조(flash-lamp pumped rod architecture)나 다이오드-펌프 슬랩 구성(diode-pumped slab configuration)을 사용하였다. 이러한 구성을 고유하게 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA:master oscillator power amplifier) 레이저라 한다.
조사 속도는 현재 레이저의 펄스 레이트에 의해 제한된다. 플래시-램프 펌프 레이저는 100Hz에서만 동작할 수 있고, 이 램프는 통상적으로 수천만 샷(shot)만을 견딘다. 따라서, 이러한 레이저는 동작하기에 느리고 비싸다. 다이오드-펌프 슬랩은 훨씬 빠르다(400Hz가 전류 제한이며 1Khz가 가능). 그러나 이는 매우 비싸고, 특화-제조된 다이오드 어레이를 사용하여 슬랩(slab)을 펄스-펌핑하고 열적 왜곡을 유도할 수 있는 많은 양의 열을 생성한다. 다이오드 어레이 수명이 점점 나아지고 있으나, (일부는 10B 샷을 견딤), 이에는 역사적으로 고비용, 신뢰성 및 열적 왜곡(thermal distortion)에 따른 우려가 있다. 크리스털 슬랩의 고전력 펄스-다이오드 펌핑은 레이저 빔의 파형 질을 궁극적으로 제한하는 슬랩에 열 왜곡을 일으킨다. 파면(wavefront) 왜곡은 레이저의 가용 전력을 제한할 수 있으며, 대상물로 빔의 효과적인 광섬유 광학적 전달을 방해한다. 어레이 내의 각각의 다이오드 바는 40W 내지 100W의 피크 전력을 가질 수 있으며, 레이저 슬랩의 측면을 효과적으로 펌핑하기 위해 서로에 대해 물리적으로 인접해야만 한다. 어레이 내의 다이오드 바의 전체 수는 50-100개 일 수 있다(어레이가 슬랩의 각 측면을 펌핑할 것이며, 다라서 가능한 200개의 다이오드 바가 사용될 수 있다). 열 제거는 다이오드 어레이 및 슬랩 모두에 대한 중요한 디자인 이슈이다.
본 발명의 실시예는 위와 같은 필요성 및 그 밖의 다른 요구에 실질적으로 대처하기 위한 시스템 및 방법을 제시한다. 본 발명의 실시예는 다음의 설명 및 청구항에 구체적으로 표현된다. 본 발명에 따른 실시예의 장점 및 효과가 첨부된 도면 및 청구항 및 상세한 설명으로 분명해질 것이다.
본 발명의 실시예는 원거리의 대상물에서의 초음파 표면 변위를 검출하는 방법을 제공한다. 이는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 이용하여 검출 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 검출 레이저 빔은 초음파 표면 변위가 검출 레이저 빔을 확산시키는 원거리 대상물(target)의 표면을 향한다. 검출 레이저 빔을 확산시키는 단계는 표면의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터 얻기 위해 수집 및 처리될 위상 변조된 빛을 생성한다. 위상 변조된 빛 내의 정보를 분석하여 원거리 대상물(타겟) 내의 구조를 분석할 수 있다.
검출 레이저 빔은 마스터 오실레이터를 이용하여 시드 레이저를 발생하는 단계를 추가로 포함한다. 시드 레이저 빔은 이후에 하나 이상의 다이오 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 증폭된다. 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 오실레이저는 각각은, 다이오드 펌프 광섬유 레이저 또는 광섬유 레이저 증폭기이다. 다른 실시예에서, 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 어느 하나가 다이오드 펌프 광섬유 레이저 또는 레이저 증폭기라는 제한을 유지하는 한, 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는, 다이오드 펌프 슬랩 레이저일 수 있다.
다른 실시예는 초음파 표면 조사 시스템 또는 검출 시스템을 제공한다. 이는 원거리 대상물에서 초음파 표면 변위를 검출한다. 이러한 시스템은 초음파 발생 시스템, 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저, 수집 광학 장치 및 프로세서를 포함한다. 초음파 발생 시스템은 원거리 대상물에서의 초음파 변위를 생성한다. 이는 기계적으로 또는 레이저 초음파 발생 시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 원거리 대상물에서 초음파 표면 변위를 실질적으로 W조명하는 검출 레이저 빔을 발생한다. 수집 광학 장치는 원거리 대상물에 의해 반사되거나 확산된 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저로부터의 위상 변조된 빛을 수집한다. 프로세서는 원거리 대상물의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 포함하는 출력 신호를 생성하기 위해 위상 변조된 빛을 광학적으로 처리할 수 있다. 이후에, 프로세서는 출력 신호를 처리하여 원거리 대상물의 구조적 안정성을 평가한다.
다이오드 펌프 검출 레이저는 시드 레이저 빔을 생성하기 위한 마스터 오실레이터, 그리고 시드 레이저 빔을 증폭하기 위한 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저를 포함한다. 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 또는 레이저 증폭기이다. 다른 실시예에서, 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 마스터 오실레이터와, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기, 그리고 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함할 수 있다. 위에 언급한 바와 같이, 하나 이상(이들 모두인 것은 아님)이 다이오드 펌프 광섬유 레이저에 기반한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 원거리 대상물(타겟)의 구조적 안정성을 평가하기 위해, 원거리 대상물의 표면에 초음파 표면 변위를 측정하는 광역 복합 조사 시스템을 제공한다. 이러한 광역 복합 조사 시스템은 초음파 발생 시스템, 검출 광섬유 레이저, 수집 광학 장치, 광학 프로세서, 및 신호 프로세서를 포함한다. 초음파 발생 시스템은 원거리 대상물에 초음파 변위를 발생시킨다. 검출 광섬유 레이저는 이후에 검출 레이저 빔을 이용하여 초음파 표면 변위를 조명한다. 스캐닝 어셈블리는 검출 레이저 및 원거리 대상물의 조명 스팟 사이의 상대적인 이동을 발생시킨다. 이는 빔을 재조정함으로써 검출 레이저 빔을 스캐닝하거나, 검출 레이저 빔을 이동시키거나, 원거리 대상물의 이동시키는 동작의 조합으로 이루어질 수 있다. 수집 광학 장치는 원거리 대상물에서 초음파 표면 변위에 의해 반사 또는 확산된 검출 레이저 빔으로부터 위상 변조된 빛을 수집한다. 광학 프로세서는 이후에 수집 광학 장치에 의해 수집된 위상 변조된 빛을 처리하여 출력 신호를 생성한다. 신호 프로세서는 광학 프로세서의 출력 신호를 처리하여 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득한다. 이러한 데이터는 원거리 대상물의 안정성을 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 복합 물질의 내부 구조를 평가할 수 있다.
원거리 대상물에서의 초음파 표면 변위를 검출하는 방법이 포함된다. 이 방법은, 원거리 대상물의 표면에 초음파 변위를 방생하는 단계, 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 이용하여 검출 레이저 빔을 발생하는 단계, 원거리 대상물의 표면으로 검출 레이저 빔을 향하게 하는 단계, 위상 변조된 빛을 생성하기 위해 상기 표면의 초음파 표면 변위를 이용하여 검출 레이저 빔을 확산하는 단계, 상기 표면의 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하기 위해 위상 변조된 빛을 처리하는 단계, 그리고 원거리 대상물 내의 구조를 분석하기 위한 정보를 포함하는 데이터를 수집하는 단계를 포함한다. 상기 원거리 대상물의 표면에 초음파 변위를 발생하는 단계는, 상기 원기 대상물의 표면의 일부분을 조명하도록 발생 레이저 빔을 조절하는 단계를 더 포함하되, 여기서 초음파 표면 변위는 상기 원거리 대상물의 표면의 조명된 일부분 내에서 발생된다. 이 방법은 원거리 대상물의 구조적 안정성을 평가하기 위해 데이터를 처리하는 단계를 추가로 포함한다. 검출 레이저 빔을 발생하는 단계는 마스터 오실레이터를 이용하여 시드 레이저를 생성하는 단계; 그리고 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 마스터 오실레이터와 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 하나가 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계는, 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 시드 레이저를 증폭하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기의 출력이 단일 광섬유에 연결된다. 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 슬랩 레이저를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/도는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 약 1000 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하도록 동작하는 이테르븀 도핑된 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는, 약 1550 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하도록 동작하는 이르븀 도핑된 또는 코발트 도핑된 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 측면 클래드 펌핑 방식의 광섬유 레이저를 포함한다. 여기서, 펌핑 다이오드는 펌핑 광섬유를 통해 활성 광섬유에 연결될 수 있다. 펌핑 다이오드는 단일 에미머, 단일 에미터 다이오드 바 그룹, 및/또는 다이오드 바 그룹을 포함할 수 있다. 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 시드 레이저를 증폭하는 단계는, 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기를 이용하여 시드 레이저를 증폭하는 단계, 그리고 제 2 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기에 의해 증폭된 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계를 포함한다.
원거리 대상물에서 초음파 표면 변위를 검출하는 장치가 포함된다. 일 실시예에서, 이 장치는 원거리 대상물에 초음파 표면 변위를 생성하는 초음파 발생 시스템, 원거리 대상물에 초음파 표면 변위를 실질적으로 조명하는 검출 레이저 빔을 발생하도록 동작하는 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저, 상기 원거리 대상물에 의해 반사 또는 확산되는 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저로부터 위상 변조된 빛을 수집하는 수집 광학 장치, 그리고 프로세서를 포함한다. 프로세서는 원거리 대상물에 의해 반사되거나 확산된 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저로부터 위상 변조된 빛을 처리하여 원거리 대상물의 초음파 변위를 나타내는 데이터를 획득하고, 초음파 변위를 나타내는 데이터를 처리하여 원거리 대상물의 구조적 안정성을 평가한다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 발생하는 마스터 오실레이터를 포함한다. 여기서, 마스터 오실레이이터는 다이오드 펌프 광섬유 레이저, 그리고 시드 레이저를 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기를 포함한다. 여기서, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기와, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전 증폭기에 의해 생성된 출력 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함한다. 여기서, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기를 포함할 수 있다. 초음파 발생 시스템은 원거리 대상물의 표면의 일부분을 조명하기 위한 발생 레이저 빔을 생성하도록 동작한다. 여기서, 초음파 표면 변위는 원거리 대상물의 표면의 조명된 일부분에서 발생한다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 발생하는 마스터 오실레이터와, 그리고 시드 레이저를 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함할 수 있다. 여기서 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 하나는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함한다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 약 1000 나노 미터의 파장에서 복사선을 생성하는 이테르븀 도핑된 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 약 1550 나노미터의 파장에서 복사선을 발생하는 에르븀 또는 코발트 도핑된 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 측면 클래드 펌핑을 포함하는 광섬유 레이저를 포함한다. 여기서, 펌핑 다이오드는 펌핑 광섬유를 통해 활성 광섬유에 연결된다. 펌핑 광섬유는 활성 광섬유의 측면 클래드 또는 내부 클래드를 통해 활성 광섬유에 연결될 수 있다. 펌핑 다이오드는 단일 에미터, 단일 에미터 다이오 바 그룹 및/도는 다이오드 바 그룹을 포함할 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 생성하는 마스터 오실레이터와, 시드 레이저 빔을 증폭하는 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함할 수 있다. 여기서 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기의 출력이 단일 광섬유 내에 연결될 수 있다. 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증포기는 다이오드 펌프 슬랩 레이저를 포함한다. 마스터 오실레이터는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함하고, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기를 포함할 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 생성하는 마스터 오실레이터, 시드 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기, 그리고 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기에 의해 생성된 출력 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함한다. 여기서, 마스터 오실레이터, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기, 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 하나 이상이 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함한다.
원거리 대상물의 표면에 초음파 표면 변위를 측정하기 위한 광역 복합 조사 장치가 포함된다. 이 장치는 원거리 대상물에 초음파 표면 변위를 생성하는 초음파 발생 시스템, 검출 레이저 빔을 이용하여 원거리 대상물의 표면의 초음파 표면 변위를 조명하는 검출 광섬유 레이저, 검출 레이저 빔의 조명 스팟 및 원거리 타겟의표면 사이의 상대적인 이동을 발생시키는 스캐닝 어셈블리, 원거리 타겟에 의해 반사되거나 확산된 검출 레이저 빔으로부터의 위상 변조된 빛을 수집하는 수집 광학 장치, 수집 광학 장치에 의해 수집된 위상 변조된 빛을 처리하고 출력 신호를 생성하는 광학 프로세서, 그리고 원거리 대상물의 표면에 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 획득하기 위해 출력 신호를 처리하는 프로세서를 포함한다. 초음파 발생 시스템은 원거리 대상물의 표면의 일부분을 조명하기 위해 발생 레이저 빔을 조정한다. 여기서, 초음파 표면 변위는 원거리 대상물의 표면의 조명된 일부분 내에서 발생한다. 검출 레이저 빔은 연속파 모드 레이저 빔 또는 펄스 레이저 빔을 포함할 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 발생하는 마스터 오실레이터, 그리고 시드 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함한다. 여기서, 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 어느 하나가 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 시드 레이저 빔을 증폭시키는 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 증폭기 포함하고, 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기의 출력이 단일 광섬유에 연결될 수 있다. 마스터 오실레이터 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 슬랩 레이저를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함하고, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기를 포함한다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 이테르븀 도핑된 광섬유로서, 약 1000 나노미터의 파장에서 복사선을 발생하는 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 에르븀 도핑된 또는 코발트 도핑된 광섬유로서 약 1550 나노미터의 파장에서 복사선을 방출하는 광섬유를 포함할 수 있다. 마스터 오실레이터 및/또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 측면 클래드 펌핑을 가지는 광섬유 레이저를 포함한다. 여기서, 펌핑 다이오드는 펌핑 광섬유를 통해 활성 광섬유에 연결될 수 있다. 펌핑 광섬유는 활성 광섬유의 측면 클래드 또는 내부 클래드를 통해 활성 광섬유에 연결된다. 펌핑 다이오드는 단일 에미터, 단일 에미터 그룹, 다이오드 바 및 /또는 다이오드 바 그룹을 포함할 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저 빔을 발생하는 마스터 오실레이터, 시드 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기, 그리고 하나 이상의 다이오드 펌프 사전-증폭기에 의해 생성된 출력 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함한다. 마스터 오실레이터, 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기 또는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 하나 이상이 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저를 발생하는 마스터 오실레이터를 포함한다. 여기서 마스터 오실레이터는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 또한, 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 시드 레이저를 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전 증폭기를 포함할 수 있고, 다이오드 펌프 레이저 사전 증폭기 다이오드 펌프 광섬유 증폭기를 포함할 수 있다. 또한, 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전 증폭기에 의해 생성된 출력 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함할 수 있고, 이 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 증폭기를 포함할 수 있다. 광역 복합 조사 장치는 원거리 타겟의 표면을 가로질러 검출 레이저를 이동시키기 위한 포지셔닝 장치를 더 포함하며, 광역 복합 조사 장치에 의해 검출된 데이터를 기록 및 색인한다. 포지셔닝 장치는 받침대형 포지셔닝 장치(gantry positioning apparatus)일 수 있다.
본 발명이 온전히 이해되고 실질적인 효과를 내기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예(이에 제한되는 것은 아님)를 첨부된 도면을 참조하여, 이하에서 설명한다. 여기서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 레이저 초음파 변위를 발생 및 검출하기 위한 레이저 빔 및 검출 레이저 빔의 용도를 도시한다.
도 2는 레이저 초음파 시스템의 기본 구성요소를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 초음파 변위를 검출하기 위한 검출 레이저 빔으로서의 광섬유 레이저의 용도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 초음파 변위를 검출하기 위한 검출 레이저 빔으로서의 광섬유 레이저의 용도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 초음파 변위를 검출하기 위한 검출 레이저 빔으로서의 광섬유 레이저의 용도를 나타낸다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 초음파 변위를 검출하기 위한 검출 레이저 빔으로서의 광섬유 레이저의 용도를 나타낸다.
도 7은 본 발명을 위한 하나 이상의 실시예에 따른 로직 흐름도를 나타낸다.
이하에서, 첨부된 도면 및 실시예와 함께 본 발명의 바람직한 실시예 도면에 도시되며, 동일한 참조번호는 여러 도면에서 동일한 그리고 대응하는 부분을 가리키는 데 사용된다.
본 발명의 실시예는 레이저 초음파 시스템 내에 사용을 위한 광섬유 레이저를 제공한다. 이러한 "제 1 " 검출 레이저의 일차적인 기능은 테스트 중인 부분에서 초음파를 발생하도록 "제 2 " 레이저가 사용되는 스팟(spot)을 조명하기 위한 것이다. 제 1 레이저로부터의 확산 광이 수집되고 간섭계(interferometer)를 이용하여 분석되어 부분의 표면에서 초음파의 반향 에코에 의해 야기된 표면 진동을 검파한다. 고전력 단일-주파수 레이저원을 형성하도록 개선된 검출 레이저(제 1 레이 저)가 다이오드-펌프 광섬유 레이저를 사용하여 구성된다.
이러한 다이오드-펌프 광섬유 레이저는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 하나의 접근법은 마스터 오실레이터로 단일-주파수 비-평면 링 오실레이터(NPRO:non-planar ring oscillator)를 사용하고, 그리고 하나 이상의 광섬유 레이저 증폭기에 의한 후속 증폭 이용하는 것이다. 다른 접근법은 마스터 오실레이터로 광섬유-레이저를 사용하고 마찬가지로, 증폭기로서 광섬유-레이저를 사용하는 전-광섬유 단일-주파수(all-fiber signal-frequency) 레이저를 구성하는 것이다.
종래의 고체-상태 검출 레이저는 플래시-램프 펌프 로드 구조 또는 다이오드-펌프 슬랩 구성을 사용하여 저전력 마스터 오실레이터 레이저를 증폭하였다. 이러한 구성을 일반적으로 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA) 레이저라 한다. 플래시-램프 펌프 레이저(Flash-lamp pumped laser)는 100Hz에서 그리고 다오드-펌프 슬랩 (diode-pumped slab) 디자인은 400Hz에서 쉽게 동작할 수 있으나, 1kHz로 확장될 수 있다. 일반적인 펄스 프로파일은 50us - 100us 동안 1000W의 피크 전력에 이를 수 있다. 레이저의 펄스 레이트는 레이저 시스템의 조사 성능(throughput)을 제한하는 요인 중 하나이다.
본 발명의 실시예는 더 빠른 조사 레이트, 향상된 시스템 신뢰성, 낮은 동작 비용 및 모바일 및 휴대용 시스템 가용성을 제공한다. 조사 속도(Inspection speed)는 현재 레이저 펄스 레이트에 의해 제한된다. 플래시-램프 펌프 레이저는 100Hz에서만 동작하고, 이 램프는 전형적으로 수천만 샷을 견딘다. 따라서, 이러한 레이저는 느리고 동작 비용이 비싸다. 다이오드-펌프 슬랩은 더 바르다( 400Hz 전 류 제한 및 1 KHz 가능). 그러나 슬랩을 펄스-펌핑하기 위해 매우 비싼, 특화-제조된 다이오드 어레이를 사용한다. 다이오드 어레이의 수명이 개선되었으나, 일부는 10B 샷을 견디며, 역사적으로 고비용 및 신뢰성에 대한 우려가 있어왔다. 크리스털 슬랩의 고전력 펄스-다이오드 펌핑이 열 왜곡을 레이저 빔의 파형 질을 궁극적으로 제한하는 슬랩으로 전달한다. 파면(wavefront) 왜곡은 레이저의 가용 전력을 제한할 수 있으며, 대상물로 빔의 효과적인 광섬유 광학적 전달을 방해한다.
어레이 내의 각각의 다이오드 바는 40W 내지 100W의 피크 전력을 가질 수 있으며, 레이저 슬랩의 측면을 효과적으로 펌핑하기 위해 서로에 대해 물리적으로 인접해야만 한다. 어레이 내의 다이오드 바의 전체 수는 50-100개 일 수 있다(어레이가 슬랩의 각 측면을 펌핑할 것이며, 따라서 가능한 200개의 다이오드 바가 사용될 수 있다). 열 제거 및 열 왜곡은 다이오드 어레이 및 슬랩 모두에 대한 중요한 디자인 이슈이다.
전-광섬유 증폭기 구조는 도핑된 광섬유를 펌핑하기 위해 많은 수의 작고 지속적인 파동(cw)을 이용한다. 이에는 여러 장점이 있다. 먼저, 광섬유-결합 펌프 다이오드 모두가 상대적으로 전력 면에서 작고(일반적으로 수 와트에 지나지 않음), 어느 하나가 손실되더라도 레이저의 전체 성능에 큰 영향을 끼치지 않는다. 광섬유 결합 다이오드로부터 열을 제거하는 것은 이득 매체(도핑된 광섬유)와 별개로 관리된다. 이러한 저전력 다이오드는 100,000 시간의 평균 무고장 시간(MTBF:Mean time between failures) 비율을 가진다.
광섬유 레이저/증폭기의 열 관리는 전통적인 벌크 크리스털 이득 매체 내에 서 보다 더 쉽게 해결된다. 광섬유 표면 영역(열이 추출됨)의 부피에 대한 비율이 슬랩 증폭기에 대한 표면-대-부피 비율보다 훨씬 더 크다. 광섬유-레이저는 매우 작은 파면 왜곡(M^2 < 1.2)을 가지는 단일-모드(TEM00)에서 동작될 수 있다. cw 모드나 변조 (펄스) 모드에서 동작할 수 있는 광섬유 레이저를 사용하는 경우에, 속도 제한(요인)은 레이저 속도가 아니라 초음파 전파 시간 및 스캐닝 용량이다. 유효 스캔 레이트는 10kHz 또는 그 이상일 수 있다. 광섬유 레이저는 거울이나 렌즈와 같은 전통적인 별개의 또는 벌크 광학 장치를 사용하지 않는다. 따라서 오염 문제가 해결된다. 광섬유 레이저는 하나의 산업용 전자장치처럼 보인다. 연성 구조물은 모바일 및 휴대용 레이저 초음파 조사 장치 디자인을 가능하게 한다. 전체적으로, 광섬유-레이저는 척박한 산업 환경에 잘 적용된다.
도 1은 레이저 초음파 변위를 일으키고 검출하는 두 개의 유입 레이저 빔을 나타낸다. 조명 레이저 빔(104)이 테스트 중인 복합 물질(이에 제한되는 것은 아님)과 같은 원거리 대상물(106)에서 초음파를 검출하는 반면, 레이저 빔(102)은 초음파를 발생한다. 도시된 바와 같이, 이러한 레이저는 원거리 대상물(106)에 동축으로 적용될 수 있다. 발생 레이저 빔(102)은 초음파 파동(108)을 형성으로 이어지는 대상물(106) 내 열탄성 팽창(112)을 일으킨다. 다른 실시예에서, 발생 레이저 빔은 대상물(106)의 절단(ablation) 현상을 일으킨다. 초음파 파동(108)은 대상물(106)에서 전파되고 조명 레이저 빔(104)을 변조, 확산 및 반사시켜 원거리 대상물(106)의 내부 구조 정보를 얻도록 수집 및 가공되는, 대상물(106)로부터 먼 방향을 향하는 위상-변조된 빛(110)을 생성한다.
도 2는 초음파 레이저 테스트를 수행하기 위한 기본 구성요소를 포함하는 블록도를 나타낸다. 발생 레이저(210)는 레이저 빔(212)을 생성하고 광학 어셈블리(214)는 대상물(216)을 향한다. 도시된 바와 같이, 광학 어셈블리(214)가 스캔이나 테스트 플랜(218)을 따라 레이저 빔(212, 224)을 움직이는 메커니즘과 같은 다른 장치 또는 스캐너를 포함한다. 스캔이나 테스트 플랜(218)은 대상물(216)의 이동 또는, 대상물(216)의 이동 및 어셈블리(214)를 통해 레이저 빔(212, 224)의 이동의 조합에 의해 생성될 수 있다. 광학 어셈블리(214)는 비주얼 카메라, 깊이 카메라, 범위 검출기, 협대역 카메라 또는 본 발명이 속하는 분야의 기술자에게 잘 알려진 광학 센서와 같은 다른 장치를 포함할 수 있다. 이러한 광학 센서는 각각 조사(inspection)를 수행하기 전에 교정될 필요가 있다. 이러한 교정은 다양한 센서에 의해 모인 정보를 통합하도록 시스템 능력을 다양화한다. 발생 레이저(210)는 대상물(216) 내의 초음파 파동(108)을 생성한다.
초음파 파동(108)은, 물질이 발생 레이저 빔을 흡수함에 따른 복합 물질의 열탄성 팽창(112)의 결과이다. 복합 물질(이에 제한되는 것은 아님)과 같은 원거리 대상물(216)이 제거되거나 부서지지 않고 발생 레이저 빔(212)을 즉시 흡수한다. 고 전력의 발생 레이저가 SNR 문제를 해결하는데 반드시 필요한 것은 아니다. 왜냐하면 이는 제거(또는 삭마)현상을 일으키기 때문이다. 다른 실시예에서, 테스트 될 물질에 따라, 검출된 신호의 SNR을 증가시키기 위해 일부 제거현상을 용인할 수 있다. 발생 레이저 빔(212)은 초음파 표면 변형을 유도하기 위해 적합한 펄스 지속시 간(duration)을 가진다. 예를 들면, TEA(transverse-excited atmospheric) CO2 레이저가 100 나노초의 펄스에 대해 10.6 마이크론 파장의 빔을 생성할 수 있다. 레이저의 전력은, 예를 들면 0.25 줄(joule)의 펄스를 대상물(타겟)에 전달하기에 충분해야하며, 이는 400Hz 펄스 반복 레이트(rate)에서 동작하는 100 와트 레이저를 필요로 한다. 발생 레이저 빔(212)이 흡수되고 타겟 표면으로 열을 생성함으로써, 본 발명의 실시예에서 현저한 제거 현상(ablation) 없이도 열-탄성 팽창을 일으킨다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 발생 레이저 빔(212)이 흡수되고, 초음파 파장 생성의 주유 메커니즘이 되는 제거 현상을 일으키기 위해 대상물 표면에 충분한 열을 발생한다.
펄스 모드 또는 연속 파장 모드에서 동작하는 조명 또는 검출 레이저(220)는 초음파 변위를 유도하지 않는다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다. 이러한 레이저의 전력은 예를 들어 100 밀리-줄, 100 마이크-초 펄스(이는 1 킬로-와트 레이저를 필요로 할 수 있음)을 전달하기에 충분해야 한다. 조명 레이저(220)는 검출 레이저 빔(224)을 발생한다. 조명 레이저(220)는 검출 레이저 빔(224)으로부터 노이즈를 제거하기 위한 필터링 메커니즘(222)을 포함하거나 선택적으로 결합된다. 광학 어셈블리(214)는 조명 레이저 빔(224)이, 검출 레이저 빔(224)을 확산 및/또는 반사하는 복합 물질(216)의 표면을 향하도록 한다. 결과적인 위상 변조된 빛은 수집 광학 장치(226, collection optics)에 의해 수집된다. 이하에 도시된 바와 같이, 확산 및/또는 반사된 조명 레이저가 광학 어셈블리(214)를 통해 뒤쪽으로 이 동한다. 선택적인 광학 프로세서(228) 및 간섭계(230)는 위상 변조된 빛을 처리하여 복합 물질(216)의 표면에서 초음파 변위를 나타내는 정보를 포함하는 신호를 생성한다. 데이터 처리 및 제어 시스템(232)은 레이저 초음파 시스템 구성요소의 동작을 조정한다.
데이터 처리 및 제어 시스템(232)은 단일 처리 장치 또는 복수의 처리 장치일 수 있다. 이러한 처리 장치는 마이크로프로세서, 마이크로-컨트롤러, 디지털 시그널 프로세서, 마이크로컴퓨터, 중앙 처리 장치(CPU), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이, 프로그램가능한 로직 장치, 스테이트 머신, 로직 회로, 아날로그 회로, 디지털 회로, 및/또는 메모리에 저장된 동작 명령에 기반하여 신호(아날로그 및/또는 디지털)를 처리할 수 있는 장치는 어느 것이나 될 수 있다. 메모리는 단일 메모리 장치 또는 복수의 메모리 장치일 수 있다. 이러한 메모리 장치는 리드-온리 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 휘발성 메모리, 비 휘발성 메모리, 정적 메모리, 동적 메모리, 플래시 메모리, 캐시 메모리, 및/또는 디지털 정보를 저장하는 장치는 어느 것이나 될 수 있다. 메모리 저장장치, 데이터 처리 및 제어 시스템(232)은 도시된 바와 같은, 단계 및/또는 기능의 일부 이상에 대응하는 동작 명령을 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 검출 레이저(22) 내에 광섬유 사용을 나타낸다. 도 3에 도시된 검출 레이저(220)의 실시예는 광섬유(304)를 사용하여 단일-모드 펌프 광섬유 증폭기(306)에 연결될 수 있는 마스터 오실레이터(302)를 사용할 수 있다. 이후에, 증폭된 레이저 빔이 테스트 중에 워크피스 또는 샘플로 전달될 수 있다. 검출 레이저는 광섬유(308)를 사용하여 조사될 물질에 인가된다. 마스터 오셀레이터(302)는 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306)로 광섬유(304)를 거쳐, 발생된 시드 검출 레이저 빔(310)이 전달되도록 하는 광섬유 연결 출력(312)을 가지는 다이오드 펌프 비-평면 링 오실레이터(NPRO:non-planar ring oscillator)일 수 있다. 다른 접근법은 마스터 오실레이터로 광섬유 레이저를 사용하고 증폭기로 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306)와 같은 하나 이상의 광섬유 레이저를 사용하는 모드 광섬유 단일-주파수 레이저를 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유 레이저를 사용하는 검출 레이저(22)의 제 2 실시예를 나타낸다. 이러한 경우에, 마스터 오실레이터(302)가 둘 이상의 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306, 316)에 연결된다. 이전과 같이, 마스터 오실레이터(302)는 광섬유(304)에 연결된 광섬유 연결 출력(312)을 가진다. 마스터 오실레이터(302)는 광섬유(304)를 거쳐 다이오드 펌프 사전-증폭기(306)에 전달되는 시드 레이저(310)를 발생한다. 실시예를 위해, 마스터 오실레이터(302)에 의해 생성된 레이저 빔(310)이 25 밀리-와트 레이저일 수 있다. 다이오드 펌프 광섬유 사전-증폭기(306)는 100 와트까지 레이저 빔(310)의 전력을 증가시킬 수 있다. 필요한 경우에, 제 2 증폭기(316)는 1,000 와트까지 검출 레이저의 전력을 추가로 증가시키는 데 사용될 수 있다. 광섬유 펌프 증폭기(316)의 출력이 이후에 광섬유(308)를 사용하여 테스트 될 물질로 전달된다.
단일 증폭기에 의해 생성된 단일-주파수 복사선의 전력 레벨은 SBS(stimulated brillouin scattering)이라 불리는 물리적 현상에 의해 제한될 수 있다. SBS가 발생될 때, 증폭기는 거울과 같이 동작하며, 마스터 오실레이터를 향 해 복사선을 다시 반사하여 이를 훼손할 수 시킬 수 있으며, 출력 전력을 심하게 제한할 수 있다. 일반적으로, 광섬유(304) 및 증폭기 광섬유(306)는 50 마이크론보다 작은 지름을 가진 단일-모드 광섬유이다. SBS가 발생하는 전력 임계치는 광섬유 지름의 제곱에 비례한다. 광섬유 증폭기의 필요 광섬유 지름에 대한 SBS의 전력 임계치를 초과하는 전력 레벨에서 단일-주파수 복사선을 발생하기 위해, 복수의 평행 광섬유 증폭기가 사용될 수 있으며, 각 증폭기는 자신의 SBS 임계치 이하의 전력 레벨을 생성한다. 모든 증폭기의 출력 단일-모드 광섬유가 퓨전 스플라이스(fusion splice) 또는 다른 기술을 이용하여 더 큰 멀티모드 광섬유에 결합 된다. 이러한 멀티모드 광섬유는 평행 증폭기의 결합 전력 이상의 SBS 임계치를 가진다. 도 5 및 6은 이러한 접근법을 본 발명의 두 개의 실시예로서 나타낸다.
도 5는 검출 레이저(220)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 위에서와 같이 이러한 검출 레이저는 마스터 오실레이터(302)와, 단일-모드 광섬유(304), 제 1 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306)를 포함한다. 출력 광섬유(308)는 전형적으로 50 마이크론 이상의 지름을 가지는 큰 중심 지름의 광섬유이며, 제 2 스테이지는 여러 평행 다이오드-펌프 증폭기(316A, 316B 및 316C)를 가진다. 이러한 평행 다이오드 펌프 증폭기의 출력은 단일 광섬유 내에 결합될 수 있다. 마스터 오실레이터(302)는 시드 레이저 빔(310)을 생성하고, 이는 광섬유 연결 출력(312)을 통해 광섬유(304)로 제공된다. 이러한 예의 하나의 실시예에서, 마스터 오실레이터(302)의 전력 출력은 약 25 밀리-와트의 전력을 가지는 레이저 빔(310)을 생성할 필요가 있다. 예시 목적을 위해, 다이오드 펌프 광섬유 사전-증폭기(306)가 약 100 와트로 이러한 레이저 빔의 전력을 증가시킨다. 이후에, 세 개의 평행 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(316A, 316B, 316C)가 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306)의 출력에 각각 연결된다. 각 다이오드 펌프 광섬유 증폭기는 자신의 SBS 임계치 이하의 전력을 생성한다. 세 개의 평행 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(316A, 316B, 316C)는 출력 레이저 빔(314)의 전력을 극적으로 증가시킬 것이다. 이러한 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 멀티모드 출력은, 이러한 다이오드 펌프 광섬유 증폭기 구성을 사용할 때, 1,000 와트보다 더 클 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 레이저를 사용하는 검출 레이저(220)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 검출 레이저(220)는 다시 마스터 오실레이터(302), 단일-모드 광섬유(304), 제 1 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(306), 일련의 제 2 다이오드 펌프 광섬유 증폭기(316A, 316B, 316C) 및 검출 레이저 빔(314)을 전달하는 멀티모드 출력 광섬유(308)를 포함한다. 이 실시예에서, 마스터 오실레이터(304)는 다이오드 펌프로 대체되었고, NPRO에 대조적으로 단일 주파수 광섬유 레이저가 사용되었다.
마스터 오실레이터 및 광섬유 증폭기와 관련된 광섬유 레이저는 (1) 약 1000 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하는 이테르븀 도핑된 광섬유 또는 (2) 약 1550 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하는 에르븀 도핑된 또는 코발트 도핑된 광섬유일 수 있다. 광섬유 레이저는 측면 클래드 펌핑(side cladding pumping)을 이용하며, 여기서 펌핑 다이오드는 펌핑 광섬유를 통해 활성 광섬유로 연결된다. 펌핌 광섬유는활성 광섬유의 측면 클래드 또는 내부 클래드를 통해 활성 광섬유에 연결된 다. 이러한 펌핑 다이오드는 단일 에미터, 한 그룹의 단일 에미터, 다이오드 바, 및/또는 일 그룹의 다이오드 바를 포함할 수 있다.
추가로, 다중 스테이지가 리드 레이저(310)를 증폭하는 데 사용될 때, 일부 실시예는 다이오드 펌프 슬랩 레이저와 다이오드 펌프 광섬유 레이저의 조합을 이용할 수 있다. 검출 레이저를 증폭 또는 발생하기 위해 다이오드 펌프 광섬유 레이저의 전부 또는 일부를 사용하는 것은 많은 이점이 있다. 레이저 광섬유를 펌핑하기 위해 많은 수의 작은 연속 파(cw) 다이오드를 사용함으로써, 펌프 다이오드에 연결된 각 광섬유가 전력 면에서 상대적으로 작을 수 있다(일반적으로 수 와트만을 사용). 따라서 다이오드 중 하나 또는 일부의 손실이 발생될 레이저의 전체 성능에 겨의 영향을 미치지 않는다.
레이저 빔(314)의 파장 프로파일의 열 제거 문제 및 열 왜곡 현상이 현저히 감소한다. 광섬유-연결 다이오드로부터의 열 제거가 이득과 별개로 관리된다. 또한, 이러한 저 전력 다이오드는 일반적으로 실패 (MTBF) 율(다이오드 슬랩 레이저에 현재 사용할 수 있음) 사이의 평균 시간을 현저히 증가시킨다. 광섬유 레이저 클래스 증폭기의 열 관리는, 전통적인 벌크 크리스털 이득 매체(bulk crystal gain medium)의 용도와 비교할 때 상당히 개선된다. 이는 (광섬유로부터 열이 제거된) 광섬유 영역 대 레이저가 생성 또는 증폭된 부피의 비율이 슬랩 증폭기와 관련된 벌크-표면화된 부피 비율보다 상당히 큰 값을 가지기 때문이다. 따라서, 광섬유 레이저는 매우 작은 파면 왜곡을 가지는 단일 모드에서 동작할 수 있다. 광섬유 레이저가 CW 모드 또는 변조-펄스 포드에서 동작할 수 있기 때문에, 속도 제한은 레이 저 속도가 아닌, 테스트 될 물질 내 초음파 전파 시간 및 테스트 될 컴포넌트를 가로지르는 검출 레이저를 스캔하는 데 사용된 다른 컴포넌트의 스캔 용량이 된다. 이는 유효 스캔 속도(rate)가 10kHz 또는 그 이상이 되도록 한다. 이는 현존하는 시스템의 스캔 속도와 비교할 때, 현저히 향상된 것이다. 추가로, 이러한 연성 구조는 척박한 산업 환경에 적합한 이동형 및 휴대용 레이저 초음파 조사 시스템 디자인을 가능하게 한다.
도 7은 검출 레이저가 레이저 초음파 조사 시스템 내에서 생성되는지를 나타내는 본 발명에 따른 하나 이상의 실시예에 따른 로직 흐름도를 도시한다. 동작(400)은 단계(402)에서 시드 검출 레이저의 발생으로 시작된다. 이러한 시드 검출 레이저 빔은 저전력, 즉 증폭될 수 있는 약 25 밀리-와트의 레이저 빔이다. 이러한 시드 검출 레이저 빔(seed detection laser beam)은 NPRO 또는 단일 펌프 단일 주파수 광섬유 레이저를 사용하여 생생될 수 있으며, 또는 시드 검출 레이저를 발생하는 것으로 알려진 다른 수단을 사용하여 생성될 수 있다. 실시예에서, 이전에 도시된 다이오드 펌프 광섬유 레이저의 다양한 조합이 사용되어 25 밀리-와트에서 1,000 와트 이상으로 검출 레이저의 전력 증폭시킨다. 단계(406)에서, 검출 레이저 빔이 타겟으로 전달된다.
동작시 본 발명은 레이저 초음파 테스트 장치가, 더 복잡한 표면이나 제한된 접근 지역의 표면을 테스트하는 동안, 넓은 범위의 환경에서 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 실시예는 광섬유 레이저를 사용하여 레이저 빔 및 가능한 생성 레이저 빔이 테스트 될 원거리 타겟으로 생성 및 전달되도록 한다. 이는 레이저 초음파 시 스템의 전체 크기가 현저히 줄어들도록 한다. 예를 들어, 커다란 받침대 기반 시스템(gantry based system) 대신에, 훨씬 작든 로버트 시스템을 사용하여 발생 및 검출 레이저 빔을 테스트 될 타겟의 표면으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에서 제공된 레이저 초음파 조사 시스템이 개별적인 컴포넌트를 조사하는 데 사용될 뿐 아니라 집적(통합)된 컴포넌트의 내부 구조를 평가하는 데 사용될 수 있도록 한다. 따라서, 개별적인 부분을 본 발명에 따른 실시예의 레이저 초음파 시스템으로 조사할 수 있도록 할 뿐 아니라, 개별적인 부분이 집합된 구조물도 조사할 수 있다. 이는 통합된 구조물이 만들어진 후에 조사가 수행되어 구조물의 사용기간(수명) 전체에서 내부 구조에 어떠한 변화가 있는지를 알 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 추가적인 실시예는, 검출 레이저 빔의 전유 공간 전파와 관련된 문제 없이 필드(현장)에서 원거리 대상물에 초음파 변위를 검출하는 데 광섬유 레이저를 사용하는 완전한 이동 시스템을 제공할 수 있다.
광섬유 레이저는 이테르븀 도핑된 광섬유를 사용하여 산업적 레이저-초음파 조사에 현재 사용되는 1064 나노미터 파장과 유사하거나 동일한 파장에서 레이저를 방출할 수 있다. 이테르븀-도핑된 광섬유는 따라서 현재-사용된 다이오드-펌프 또는, 광학장치 및 검출기 중 어느 것도 교체할 필요 없이, 플래시-펌프 로드 또는 슬랩 검출 레이저를 대체할 수 있다. 그러나, 에르븀-도핑된 또는 에르븀-코발트 도핑된 광섬유는 1550 나노미터 정도의 파장에서 레이저를 방출할 수 있다. 이러한 파장 범위는 눈에 안전한 것으로 인정된다. 안전성 요구는, 약 1000 나노미터 정도의 파장에 비해 눈에 안전한 파장을 사용할 때 현저히 감소한다. 이러한 감소한 안 정성 요구는, 레이저 초음파 조사 시스템이 개방 필드나 제조 환경에서 사용될 경우에, 자본 및 동작 비용을 주요하게 감소시키는 것으로 해석될 수 있다.
약 1550 나노미터 정도의 파장에서 동작하는 검출 레이저를 사용하는 추가적인 이점은 원격 통신을 위해 개발된 검출기, 변조기, 광섬유 등과 같은 광대한 양의 광학 기술을 강화할 가능성에 있다.
광섬유 레이저 및 광섬유 증폭기가 서로 다른 접근법을 사용하여 펌핑될 수 있다. 가장 대중적인 접근법은 펌핑 복사(pumping radiation)가 광섬유 레이저나 증폭기의 클래드(피복)에 삽입되는 클래드 펌핑 기법이다. 클래드 펌핑 기법은 클래드 끝단(엔드 펌핑:end pumping)이나 클래드 측면(사이드-펌핑: side pumping)으로부터 수행될 수 있다. 사이드-펌핑은 끝단이나 동축 펌핑의 어려움(축을 벗어난(off-axis) 중심 디자인 또는 트위스트형 활성 및 펌프 광섬유 디자인)을 해소한다. 추가로, 융합-광섬유 결합은 초점 광학 및 장치를 필요없게 하고, 엔드 또는 V-그루브 펌핑과 같은 다른 디자인보다 더 견고하다.
개별적인 다이오드 및 클래드 사이드-펌핑 기술을 사용함으로써, 신뢰성에 나쁜 영향을 미치지 않고 추가적인 펌프 다이오드를 삽입하여 전력이 확대될 수 있다. 개별적인 다이오드의 수명은 다이오드 바의 수명보다 훨씬 더 길다. 추가로, 단일 에미터(emitter)는 서로 독립적이며, 하나의 에미터가 고장날 경우에도, 다이오드 바와 대조적으로 다른 에미터에 영향을 미치지 않는다. 마지막으로, 단일 에미터 오류의 경우에, 광섬유 레이저 또는 증폭기의 전체 출력 전력의 감소가 매우 작다. 왜냐하면 많은 수의 다이오드 에미터 때문이다.
요약하면, 본 발명에 따른 실시예는 초음파의 광학적 검출을 위해 개선된 렝이저에 관한 것이다. 이러한 "제 1" 검출 레이저의 주요 기능은, "제 2 "레이저가 테스트 중에 부분적으로 초음파를 생성하는 지점(spot)을 조명하는 것이다. 제 1 레이저로부터 확산(분산)된 빛이 수집되고 간섭계를 이용하여 분석되어 일부의 표면에서 초음파의 반향 에코에 의해 야기되는 표면 진동을 검파(demodulate)한다. 개선된 검출 레이저(제 1 레이저)가 고 전력 단일 주파수 레이저 광원을 생산하기 위한 다이오드-펌프 광섬유 레이저를 이용하여 구성된다.
본 발명에 속하는 분야의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 이 명세서에 사용된 "실질적으로" 또는 "약, 대략"이란 용어는 대응하는 용어에 대해 산업적으로 허용되는 범위를 일컫는다. 이러한 산업적으로 허용되는 범위는 1 퍼센트에서 20 퍼센트의 범위이며, 컴포넌트 가치, 집적 회로 프로세스 변경, 온도 변화, 상승 및 하강 시간 및/또는 열적 노이즈에 대응한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적인 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이 명세서에 사용된 "동작할 수 있게 연결된"이란 용어는 다른 컴포넌트, 소자, 회로, 또는 모듈을 통해 직간접적으로 연결되는 것을 포함한다. 여기서, 간접적인 연결에 대해, 중간에 삽입된 컴포넌트, 소자, 회로 또는 모듈은 신호의 정보를 변경하지 않으나, 이의 전류 레벨, 전압 레벨 및/또는 전력 레벨을 조정할 수 있다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적인 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 추정 연결(즉, 하나의 소자가 다른 소자에 추정적으로 연결됨)는 "동작가능하게 연결되는" 것과 동일한 방식으로 두 개의 소자 사이에 직간접적인 연결이 있음을 포함한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적인 기술자가 이 해할 수 있는 바와 같이, 이 명세서에 사용된 용어 "바람직한 비교 결과"는 둘 이상의 소자, 아이템, 신호 사이의 비교가 바람직한 관계를 제공한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 바람직한 관계가, 신호(1)가 신호(2)보다 큰 관계일 때, 바람직한 비교 결과는 신호(1)의 크기가 신호(2)의 크기보다 클 때 또는 신호(2)의 크기가 신호(1)의 크기보다 작을 때 얻어진다.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 정의된다.

Claims (14)

  1. 원거리 타켓에서 초음파 표면 변위를 검출하는 방법에 있어서, 상기 표면 변위 검출 방법은:
    상기 원거리 타겟의 표면에 초음파 변위를 발생하는 단계;
    다이오드 펌프 광섬유 레이저를 이용하여 검출 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 원거리 타겟의 표면으로 상기 검출 레이저 빔을 향하게 하는 단계;
    상기 원거리 타겟의 표면에서의 상기 초음파 표면 변위를 이용하여 상기 검출 레이저 빔을 확산시켜 위상 변조된 빛을 생성하는 단계;
    상기 위상 변조된 빛을 수집하는 단계;
    상기 원거리 타겟의 표면에서 상기 초음파 표면 변위를 나타내는 데이터를 얻기 위해 상기 위상 변조된 빛을 처리하는 단계; 그리고
    상기 원거리 타겟 내의 구조를 분석하기 위한 정보를 포함하는 상기 데이터를 수집하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원거리 타겟의 표면에서 초음파 변위를 발생시키는 단계는:
    상기 원거리 타겟의 표면의 일부분을 조명하도록 발생 레이저 빔(generation laser beam)을 조정하는 단계를 더 포함하되,
    상기 초음파 표면 변위는 상기 원거리 대상물의 표면의 조명된 일부분에서 일어나는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 원거리 타겟의 구조적 안전성을 평가하기 위해 상기 데이터를 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 레이저 빔을 발생하는 단계는:
    마스터 오실레이터를 이용하여 시드 레이저 빔을 발생하는 단계; 그리고
    하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계를 더 포함하되,
    상기 마스터 오실레이터 또는 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기 중 하나 이상이 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계는:
    둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 를 증폭하는 단계를 더 포함하되,
    상기 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기의 출력이 단일 광섬유 내에 연결되는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스터 오실레이터 및 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 1000 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하는 이테르븀 도핑된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 마스터 오실레이터 및 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 1550 나노미터의 파장에서 복사선을 생성하는 에르븀 또는 코발트 도핑된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계는:
    다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기를 이용하여 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 단계; 그리고
    제 2 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 이용하여 상기 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기를 이용하여 증폭된 상기 시드 레이저를 증폭하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 방법.
  9. 원거리 타겟상의 초음파 표면 변위를 검출하는 장치에 있어서, 상기 표면 변위 검출 장치는:
    상기 원거리 타겟에 초음파 표면 변위를 발생하는 초음파 발생 시스템;
    상기 원거리 타겟의 초음파 표면 변위를 조명하는 검출 레이지 빔을 발생하는 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저;
    상기 원거리 타겟에 의해 반사되거나 확산된 상기 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저로부터의 위상 변조된 빛을 수집하는 수집 광학 장치; 그리고
    프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는:
    상기 원거리 타겟의 초음파 변위를 나타내는 데이터를 얻기 위해 상기 원거리 타겟에 의해 반사되거나 확산된 상기 다이오드 펌프 검출 광섬유 레 이저로부터의 위상 변조된 빛을 처리하고; 그리고
    상기 원거리 타겟의 구조적 안정성을 평가하기 위해 상기 초음파 변위 를 나타내는 데이터를 처리하며,
    상기 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는:
    - 시드 레이저 빔을 발생하기 위한 마스터 오실레이터로서, 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함하는 상기 마스터 오실레이터;
    - 상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 하나 이상의 펌프 레이저 사전-증폭기로서, 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기를 포함하는 상기 하나 이상의 펌프 레이저 사전-증폭기; 그리고
    - 상기 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 사전-증폭기에 의해 생성된 출력 레이저 빔을 증폭하기 위한 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함하되,
    - 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초음파 발생 시스템은 상기 원거리 타겟의 표면의 일부분을 조명하기 위한 발생 레이저를 조정하고,
    상기 초음파 표면 변위는 상기 원거리 대상물의 표면의 조명된 일부분 내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 마스터 오실레이터 및 상기 하나 이상의 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 측면 클래드 펌핑 방식의 펌핑 다이오드를 가지는 광섬유 레이저를 포함하되,
    상기 펌핑 다이오드는 펌핑 광섬유를 통해 활성 광섬유에 연결되는 것을 특 징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 펌핑 광섬유는 상기 활성 광섬유의 측면 클래드 또는 내부 클래드를 통해 상기 활섬 광섬유에 연결되는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 펌핑 다이오드는, 단일 에미터, 단일 에미터 다이오드 바의 그룹, 또는 다이오 바 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 다이오드 펌프 검출 광섬유 레이저는:
    상기 시드 레이저 빔을 증폭하는 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기를 포함하되,
    상기 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기는 다이오드 펌프 광섬유 레이저를 포함하고,
    상기 둘 이상의 평행 다이오드 펌프 레이저 증폭기의 출력이 단일 광섬유에 연결되는 것을 특징으로 하는 표면 변위 검출 장치.
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