SE518579C2 - Sätt och system för att detektera ultraljud- ytförskjutningar användande eftersamlande optisk förstärkning - Google Patents

Description

20 25 30 518 579 2 Ett armat sätt att alstra och detektera ultraljud användande lasrar visas i U.S. patent- ansökan nr 09/343,920 ingiven 30 juni 1999, T.E. Drake, med titeln ”Method And Apparatus For Ultrasonic Laser Testing” nedan benämnd DRAKE. DRAKE visar användningen av en första modulerad pulsad laserstråle för att alstra ultraljud på ett arbetsstycke och en andra pul- sad laserstråle för att detektera ultraljudet. Fasmodulerat ljus från den andra laserstrålen de- moduleras sedan för att erhålla en signal som är representativ för ultraljudrörelsen vid ytan av arbetsstycket. En olägenhet hos ett sådant system har varit att för att förbättra systemets för- måga att detektera ultraljudrörelse vid ytan av arbetsstycket krävs en mer kraftfull laser, med- förande sarnma problem som anges ovan. i Ett annat sätt att alstra och detektera ultraljud användande lasrar visar användningen av en laser för att detektera deformationer av en oscillator- eller transient typ på en avlägsen målyta. Deformationerna på den avlägsna rnålytan kan framställas av en ultraljudvåg eller annan excitering. Ljus från lasem sprids av deformationema, varvid en del ljus samlas genom samlande optik och överförs via en fiberoptik till en uppdelare som avlänkar en liten del av det samlade ljuset till en referensdetektor och levererar den återstående delen av ljuset till en konfokal Fabry-Perot-interferometer, som alstrar en utmatningssignal som visar deformatio- ner på den avlägsna målytan. Referensdetektom mäter intensiteten hos det spridda laserljuset vid inmatningen av interferometem för att alstra en referenssignal. En stabiliseringsdetektor mäter intensiteten av det spridda laserljuset vid utmatningen av interferometem för att alstra en förstabiliseringssignal. Förhållandet av referenssignalen till förstabiliseringssignalen an- vänds för att alstra en slutlig stabiliseringssignal som driver en piezoelektrisk pådrivare inuti interferometem för att justera dess resonansfrekvens. En olägenhet hos ett sådant system har varit att en del av signalen förloras vid stråluppdelaren när den sänds till referensdetektom. Återigen, för att förbättra systemets förmåga att detektera ultraljudrörelsen vid ytan av arbets- stycket, krävs en mer krafifiill laser.

Ett alternativ till att använda en mer kraftfull laser är att minska arbetsavståndet till delen och/eller öka storleken av sarnlingsaperturen. Detta reducerar F-talet hos det optiska systemet och har nackdelen med en motsvarande reduktion i fältets arbetsdjup (depth of field, DOF). DOF är ett mått på hur långt bort från det ideala fokalplanet ett objekt kan vara och ändå upprätthålla accepterbar prestation. Utformningar med lägre F-tal resulterar i allmänhet i en mindre avsökningsornrädesmöjlighet och kräver ofta aktiva fokuserande linssarnrnansätt- ningar för att upprätthålla effektiv ljusuppsamling under avsökning av komplext formade komponenter. Stora samlingsaperturer kräver användningen av optiska avsökningssystem med ll0047800/KKASH -ønvu 10 15 20 25 30 518 579 s en enda spegel, vanligen i en tvåaxlad kardan-konfiguration vilka är ohanterliga och allmänt långsamma.

Det finns ett behov av ett ultraljudlasersystem som förbättrar detekteringsförmågan hos systemet för att detektera ultraljudrörelse vid ytan av arbetsstycket utan att skada arbets- stycket.

Dessutom finns ett behov av ett ultraljudlasersystem som förbättrar detekteringsför- mågan hos systemet för att detektera ultraljudrörelse vid ytan av arbetsstycket användande praktiska lasrar utan att skada arbetsstycket och fungerande med tillräckligt stor DOF.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN - Föreliggande uppfinning ger ett system och ett sätt för att detektera ultraljud- ytförskjutningar på ett avlägset mål som väsentligen eliminerar eller reducerar olägenheter och problem som är associerade med tidigare utvecklade ultraljudlasersystem och -sätt.

Specifikt tillhandahåller föreliggande uppfinning ett system och ett sätt att detektera ultraljud-ytförskjutningar hos ett mål. Systemet för att detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett mål innefattar en detekteringslaser for att alstra en forsta pulsad laserstråle för att detektera ultraljud-ytförskjutningar vid det avlägsna målet. Samlande optik samlar det fasmodulerade ljuset från den forsta pulsade laserstrålen spritt av det avlägsna målet. Spridningen av laser- strålen medelst det avlägsna målet innefattar alla reaktioner mellan laserstrålen och det av- lägsna målet där laserstrålen är återriktad med fasmodulationer inducerade medelst ytvibra- tioner eller störningar såsom de framställda av ultraljudmekanismer. En optisk förstärkare förstärker det fasmodulerade ljuset samlat av samlingsoptiken. Denna optiska signal i sin tur bearbetas av en interferometer for att alstra en utmatningssignal. En processor eller ett dator- system behandlar utmatningssignalen från interferometern for att erhålla data som represente- rar ultraljud-ytförskjutningama vid det avlägsna målet.

En annan utföringsforin av föreliggande uppfinning innefattar ett sätt att mäta ultra- ljud-ytförskjutningar. Detta sätt innefattar stegen att forst alstra ultraljud-ytförskjutningar vid ett avlägset mål. Dessa ultraljud-yttörskjutningar sprids av en forsta pulsad laserstråle ska- pande en fasmodulerad spridd retur. Detta fasmodulerade ljus från den första pulsade laser- strålen, antingen reflekterat eller spritt av det avlägsna målet, samlas sedan och förstärks op- tiskt. Denna optiska signal bearbetas for att erhålla data som är representativa för ultraljud- ytförskjutningama vid det avlägsna målet.

En teknisk fördel hos föreliggande uppfinning är att ett förbättrat sätt för ultraljudla- sertestning tillhandahålls. Detta ger snabb, kontaktfii, och icke-förstörande inspektionsteknik som kan appliceras till komplexa sammansatta strukturer. Föreliggande uppfinning ger ett l l0047800/KR,ASH »au-- 10 15 20 25 30 518 579 4 n o n n n u o o n ; nu flexibelt, exakt och kostnadseffektivt sätt att inspektera komplexa sammansatta strukturer som snabbt kan avsöka och testa stora sammansatta strukturer.

En annan teknisk fördel enligt föreliggande uppfinning är ett förbättrat signal-tíll- brus-förhållande för testsystemet beroende på ökade detekteringsintensiteter reducerande den krävda intensiteten hos detekteringslasem.

En annan teknisk fördel enligt föreliggande uppfinning är förmågan att använda en detekteringslaser med lägre utmatningseffekt.

En arman teknisk fördel enligt föreliggande uppfinning är möjligheten med ett ökat arbetsavstånd mellan målobjektet och avsökaren genom att optiskt förstärka det fasmodulera- de ljuset.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA För en mer fullständig förståelse av föreliggande uppfinning och fördelarna därav refereras nu till följande beskrivning samt de åtföljande ritningama där samma referenssiffra visar 'samma särdrag och där: FIG. 1 illustrerar en känd uppsättning för att detektera ultraljud-ytförskjutningar an- vändande en detekteringslaserstråle; FIG. 2 är en typisk förstärkningsskiss för en optisk förstärkare illustrerande laserut- matning versus antalet passager genom förstärkaren; FIG. 3 illustrerar användningen av en eftersamlande optisk flerpassförstärkare för att ge ett förbättrat signal-till-brus-förhållande; FIG. 4 illustrerar användningen av dopad fiberoptik och en optisk pump för efter- samlande optisk förstärkning; FIG. 5 illustrerar en uppsättning för testning av ökningen associerad med eftersam- lande optisk förstärkning; FIG. 6 illustrerar reflekterade och överförda signaler alstrade användande uppsätt- ning enligt FIG. 5 utan eñersamlande optisk förstärkning; och FIG. 7 illustrerar reflekterade och överförda signaler alstrade användande en upp- sättning enligt FIG. 5 med efiersamlande optisk förstärkning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föredragna utföringsfonner av föreliggande uppfinning och dess fördelar inses ge- nom referens till FIG. 1 till 7 hos ritningama, varvid samma siffror användes för samma och motsvarande delar på de olika ritningama. Systemen och sätten hos DRAKE är införlivade såsom referens i föreliggande uppfinning. l l0047800/KR,ASH 10 15 20 25 30 518 579 r mo» n 5 FIG. 1 illustrerar en känd uppsättning för att alstra och detektera ultraljud- ytförskjutningar användande en detekteringslaserstråle. Detekteringssystem 100 använder en detekteringslaser 120 för detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett avlägset mål. Detekte- ringslaser 120 kan införliva en kontinuerlig-våg-(CW) enkel-longitudinell-mod-(SLM)- kämlaser tillsammans med en optisk multipassförstärkare för att alstra en laserstråle 125 med en effekt P0. Ultraljud-ytförskjutningama i det avlägsna målet 110 modulerar, sprider och reflekterar detekteringslaserstrålen 125 representerad av pilarna riktade bort från det avlägsna målet 110. När detekteringslaserstrålen 125 samverkar med ultraljudvågoma som finns i det avlägsna målet 110 reflekteras detekteringslaserstrålen 125 såsom fasmodulerat ljus. Specifikt betraktande den elektriska fältrepresentationen hos en infallande laserstråle 125 som: 13. =E-e"<“'**> lll där E är den elektriska fältamplituden, w är den radiala frekvensen, t är tid, vågvektom defini- eras som k = våglängden, och x är avståndet till målet. Stråle 125 sprids eller re- flekteras från en yta 110 med en tidsberoende förskjutning A(t), och återgår längs samma väg, producerande ett modulerat elektriskt fält för A(t)<<}t definierat såsom: EM = B - [1 _ 2ikA(:)]e"°' A(t)-termen måste demoduleras användande interferometer 150 från detta ut- tryck för rekonstruering av tidsförloppet hos ytförskjutningen. En del av det fasmodulerade ljuset fångas av samlingsoptiken 130 som riktar det fasmodulerade ljuset via fiberoptik 140 till interferometem 150. Interferometer 150 demodulerar det fasmodulerade ljuset och riktar dess utmatningar till detektor 160 som alstrar en analog signal för bearbetning.

Sarnlingsoptik 130 har en aperturdiameter av (I: och finns på ett avstånd D från det avlägsna målet 110. Effekten av det samlade fasmodulerade ljuset mätt vid utmatningen av kollektom är Pc, och därför är effekten vid inmatningen av interferometem väsentligen Pc ef- tersom det finns mycket liten överföringsförlust associerad med fiberoptik 140. En typisk dif- fus yta kommer att ha följande samband beskrivande mängden samlat ljus för en specificerad optisk diameter och ett specificerat arbetsavstånd: 2 P = (1- A)cos(6) C 1 l0047800/KR,ASH »ansa 10 15 20 25 30 51.8 579 6 A representerar absorptionen hos målet och 6 är infallsvinkeln. Ett perfekt ljust mål skulle ha A = 0 och en typiskt mörk sammansättning kan ha en absorption av 90 % (A = 0,9).

Eftersom förlusten i interferometem 150 är minimal är effekten hos imnatningssignalen till detektorn (PDET) väsentligen densamma som Pc.

Signal-till-brus-förhållandet hos detektom 160 är direkt proportionellt mot kvad- ratroten av den inmatade effekten: SNR oc *IPDET Forrneln ovan förslår att SNR kan förbättras genom att öka P0, eller <1), eller genom att minska D. Att öka förhållandet rb/D kommer att minska fältdjupet hos detekteringssystemet 100, vil- ket ej är önskvärt eftersom ett minskat fältdjup är mindre flexibelt.

Alternativt kan Po ökas. En utväg att öka utmatningen hos detekteringslasem 120 är att använda en kortare pulsbredd. Pulsen hos detekteringslaserstrålenl25 måste emellertid ha tillräcklig bredd för att tillåta detektering av ultraljud-ytförskjutningar och därför försämrar minskning av dess pulsutsträckning dess förmågan att detektera sådana förskjutningar. Ett andra sätt är att förstärka detekteringslasern användande en optisk multipass-förstärkare.

Emellertid är ökningen av en konventionell optisk förstärkare beroende på effekten hos den inmatade signalen.

FIG. 2 illustrerar en förstärkningskurva 200 för en typisk optisk förstärkare som en typisk funktion av ett antal passager genom förstärkaren. Förstärkningskurvan 200 visar att den typiska förstärkaren har en linjär förstärkning 210 för små inmatningssignaler. Emellertid är förstärkningen 220 inte linjär då inmatningssignalen ökar, såsom illustreras av den utjäm- nande förstärkningskurvan 200 då förstärkaren närmar sig mättning. F örstärkningskurvan 200 demonstrerar att addering av multipla förstärkningssektioner kvickt når en punkt för att mins- ka returer och därför är förmågan att öka SNR genom att öka P0 begränsad.

FIG. 3 illustrerar en uppsättning för ett nytt och förbättrat detekteringssystem 300.

Detekteringssystemet 300 använder en detekteringslaser 120 för att detektera ultraljud- ytförskjutningar i ett avlägset mål 110. Detekteringslasem 120 kan införliva en optisk multi- passförstärkare för att alstra en laserstråle 125 med en effekt Po.

Ultraljud-ytförskjutningama i ett avlägset mål 110 kan framställas användande en genererande laser, en piezoelektrisk omvandlare, elektrisk urladdning, projektilslag eller and- ra kända medel. Ultraljud-ytförskjutningarna modulerar, sprider och reflekterar detekterings- laserstrålen 325. När detekteringslaserstrålen 325 samverkar med ultraljudvågoma som finns i l l0047800/KR,ASH -ßsvø 10 15 20 25 30 518 579 7 o u u n u n | Q ø ø a . a ~ n u ø c . o' det avlägsna målet 110 reflekteras detekteringslaserstrålen 325 såsom fasmodulerat ljus, så- som illustrerat av pilarna riktade bort från det avlägsna målet 1 10.

När en genereringslaser används för att inducera ultraljud-ytförskjutningar måste genereringslasem ha en frekvens som lätt absorberas i det avlägsna målet 110 utan att det åstadkommer ablation eller nedbrytning av det avlägsna målets material, och den måste ha en tillräcklig pulslängd för att inducera ultraljud-ytdeformationer. Till exempel kan en transver- sal-exciterad atmosfär (”TEA”) COz-laser användas för att framställa en 10,6 mikronvåg- längdstråle för en puls som har utsträckningen 1000 nanosekunder. Effekten av lasem måste vara tillräcklig för att leverera t.ex. en 0,5 joule-puls till det avlägsna målet, vilket kan kräva en 50 watt-laser. Genereringslasem bör absorberas som värme i det avlägsna målet för att därigenom får den terrnoelastiska expansionen utan ablation. Allmänt är användning av en våglängd i det ultravioletta området icke önskvärd eftersom sådant ljus potentiellt kan skada det sammansatta materialet. Valfritt kan alstringslasem och detekteringslasern även appliceras koaxialt till ytan av det avlägsna målobjektet.

Detekteringslasern 320 måste ha en frekvens som inte inducerar ultraljud- ytförskjutningar. Till exempel kan Nd:YAG-laser användas. Effekten hos denna laser måste vara tillräcklig för att leverera t.ex. en 100-milli-joule-, 100 psekund-puls som kan kräva en kilowatt-laser.

När detekteringslaserstråle 325 samverkar med ultraljudvågoma som finns i det av- lägsna målet 110 reflekteras detekteringslaserstråle 325 som fasmodulerat ljus. En del av det fasmodulerade ljuset fångas av samlingsoptiken 330. Samlingsoptiken 330 kan använda an- tingen en kollektor med stor apertur eller en kollektor med liten apertur. Till exempel kan en kollektor med stor apertur vara en reflektor av Cassegrain-typ, omfattad av en primär sfärisk reflektiv yta som fokuserar ljus på en sekundär sfirisk reflekterande yta, vilket i sin tur samlar ljuset. För ökad hastighet och flexibilitet är en kollektor med liten apertur önskvärd.

Samlingsoptik 330 samlar det fasmodulerade ljuset och riktar det in i fiberoptikbära- ren 140 som i sin tur riktar det fasmodulerade ljuset in i den optiska förstärkaren 345. Den optiska förstärkaren 345 kan vara en optisk multi-pass-förstärkare eller annan optisk förstär- kare såsom känd för fackmannen. Den optiska isolatorsammansättningen 355 kommer att förhindra reflekterad fasmodulerad ljusåtermatning i den optiska förstärkaren 345. Det för- stärkta, fasmodulerade ljuset riktas genom den optiska isolatorsammansättningen 355. Det förstärkta. fasmodulerade ljuset riktas in i interferometem 150, där ljuset demoduleras. Det demodulerade ljuset riktas sedan in i detektorn 160 som alstrar en analog utmatningssignal. 1 l0047800/KR,ASH -»,a, 10 15 20 25 30 518 579 8 n 1 ~ - . n » n | o c a u.

Denna analoga signal kan omfatta en optisk signal som kan omvandlas till en digital signal. Denna digitala signal kan sedan bearbetas för att extrahera data som är representativa för ultraljudförskjutningama vid det avlägsna målet.

Valfritt en optisk avståndsbestämningsenhet (ej visad) vara integrerad i detekterings- systemet 300 för att använda en avståndslaserstråle för att bestämma avståndet mellan det avlägsna målet 110 och avsökningssystemet. Ofta är det viktigt att veta avståndet på vilket det avlägsna målet 110 är placerat från avsökaren så att en topograflsk kontur kan skapas för det på avstånd liggande målet och kan korreleras till optiska data som samlas in. I allmänhet re- gistreras denna korrelation på en punkt-för-punkt-basis. _ Effekten av det insamlade, fasmodulerade ljuset såsom mätt vid utrnatningen av kol- lektorn är Pc, och den optiska förstärkaren 345 har en förstärkning G. Därför är effekten hos signalen vid utmatningen av den optiska förstärkaren Pc * G. Eftersom interferometem har ett lågt förlustförhållande är effekten vid utrnatningen av interferometem (dvs. effekten vid inmatningen till detektorn, PDET) väsentligen Pc -k G.

Signal-till-brus-förhållandet hos detektom 160 är direkt proportionellt med kvadratroten av inmatningseffekten: SNR oc *IPDET Införandet av den optiska förstärkaren för att förstärka Pc, tillåter emellertid SNR att förbättras genom att öka PC, förutom att öka P0, eller (b, eller genom att minska D. Det finns flera ytterli- gare fördelar. Det är inte längre kritiskt att öka P0 till maximun och därför kan varje förstärka- re som förstärker detekteringslasem 3320 drivas i ett effektivt, linjärt förstärkningsområde.

Dessutom kan den optiska förstärkaren 345 även drivas i det effektiva, linjära förstärknings- området. Eftersom behovet av hög förstärkning i någon av förstärkarna har minskats kan bil- ligare förstärkare användas i detekteringssystemet 300. Den ökade prestationen associerad med en metod med två förstärkare (en förstärkare i detekteringslasem 320, och en förstärkare efter uppsarnlandet) kommer att medge att systemet använder en mindre apertur <1) och ett stör- re avstånd D och kommer därför ge detekteringssytemet 300 större flexibilitet utan försämring i prestanda. I motsats härtill får detekteringssystemet 300 ökad prestationsförrnåga.

Dessutom kommer den optiska förstärkaren 345 inte bidra med väsentligt ytterligare brus om inte Pc överskrider 1 foton per bandbredd hos mätningen. Således förbättrar sättet användande optisk förstärkning efler uppsamlande SNR utan någon väsentlig ökning av brus. l l0047800/KR,ASH :nu-u 10 15 20 25 30 518 579 9 o o - n . . a - n n ~ . nu Elektrisk förstärkning av den analoga signalen efter detektorn 160 kommer inte förbättra SNR över \/ Pc. Detta beror både på att signalen och bruskomponenten kommer att förstärkas.

Följande exempel illustrerar utföringsformer av föreliggande uppfinning men bör inte betraktas såsom begränsande uppfinningens område.

EXEMPEL 1 (Ingen eftersamlingsiörstärkning) P0 = 103 W toppeffekt (100 mJ puls, 100 uS) Pc = 105 * P0 Fastän P., är signifikant kan Pc endast vara en liten fraktion av P0 eftersom samlan- dets effektivitet beror på reflektiviteten hos det avlägsna målet 110, och D. Gívna dessa anta- ganden, PDET =10'5 *103 W = 10* W = 10 mW EXEMPEL 2 (Med enersamlingsforstärkning) P0 = 10 W toppeffekt (1 m] puls, 100 uS) Pc = 105 * Po I exempel 2 är P0 1/100 av effekten av detekteringslasem i exempel 1 ovan. Pc är beräknad användande samma antaganden som i exempel 1. En eftersamlingsförstärkare har en förstärkning av 10', vilket resulterari PDET = 104 * Pc =10“ *105 * P0 =10“ *105 *10W = 1 W Eftersom SNR är proportionell mot ([- PDET är ökningen i SNR i exempel 2 gente- mot exempel l kvadratroten av ökningen i effekt levererad till detektom. Dvs det finns en 10- faldig ökning (J- 100) i SNR för exempel 2 gentemot exempel 1.

Såsom dessa två exempel illustrerar tillåter användningen av optisk förstärkning efter insamlandet av spritt ljus användningen av en detekteringslaser med 1/100 av effekten gente- mot den utan en optisk förstärkning efter insamlandet av spritt ljus och ger ändå en 10-faldig ökning i SNR.

Fig. 4 illustrerar en andra utföringsform för att uppnå optisk förstärkning efter in- samlandet av spritt ljus. Uppställningen illustrerad i fig. 4 är mycket liknande den presenterad i fi g. 3 och därför kommer endast skillnadema diskuteras här. l l0047800/KR,ASH fl-»ep 10 15 20 25 30 518 579 10 a n | . . u o ~ « u u ø . a n - nu Samlingsoptiken 330 samlar det fasmodulerade ljuset och riktar det in i en dopad optisk fiber 440 som i sin tur riktar det fasmodulerade ljuset in i interferometem 150, där lju- set demoduleras. Det demodulerade ljuset riktas sedan in i detektorn 160 som alstrar en ana- log utmatningssignal. En optisk pump 445 kopplas till bärare 440 med dopad ñberoptik och verkar som en förstärkare för att öka effekten av signalen. Det förstärkta, fasmodulerade ljuset riktas via optisk isolatorsammansättning 355 innan det levereras till interferometer 150. Kom- binationen av dopad optisk fiberbärare 440 och optisk pump 445 resulterar i en effektiv för- stärkning av enl". En specifik optisk förstärkare är inte kritisk för föreliggande uppfinning och därför kan andra kända optiska förstärkare användas.

- Fig. 5 illustrerar en uppställning för att testa användningen av optisk förstärknings- metod efier insarnlandet av spritt ljus enligt föreliggande uppfinning. Detekteringslasern 520 alstrar en detekteringslaserstråle 525 som riktas på ett avlägset mål 510 för att detektera ultra- ljud-ytförskjutningar därpå. Detekteringslaserstrålen 525 förstärks medelst två extema för- stärkare 521, 522 innan den riktas på ytan 510.

I denna testuppställning produceras ultraljud-ytförskjutningarna i det avlägsna målet 510 användande en piezoelektrisk omvandlare 515, vilken omvandlare synkroniseras använ- dande synkroniseringsmedel 570. Ultraljud-ytförskjutningar modulerar, sprider och reflekterar detekteringslaserstrålen 525. När detekteringslaserstrålen 525 samverkar med ultraljudvågor- na som finns i det avlägsna målet 510 reflekteras detekteringslaserstrålen 525 såsom fasmo- dulerat ljus från det avlägsna målet 510. Det reflekterade fasmodulerade ljuset samlas in och riktas i den optiska förstärkaren 545 där det förstärks om så önskas eller kan passeras genom utan förstärkning, beroende på huruvida förstärkaren 545 är aktiv eller inaktiv. Från förstärka- re 545 riktas ljuset via fiberoptik 540 till interferometem 550, där de reflekterade och trans- mitterade komponenterna hos signalen detekteras användande detektorer 560A resp. 560 B.

Detektorer 560A och 560B alstrar analoga signaler som sedan fångas för jämförelse medelst mätanordning 580.

Fig. 6 illustrerar de reflekterade och transmitterade signalema detekterade när för- stärkaren 545 är inaktiv och sålunda passerar det insamlade, fasmodulerade ljuset utan för- stärkning.

Fig. 7 illustrerar de reflekterade och överförda signalema detekterade när förstärka- ren 545 är aktiv och sålunda förstärker det insamlade fasmodulerade ljuset. En jämförelse av signalema illustrerade i fig. 6 och 7 demonstrerar att de reflekterade och transmitterade sig- nalema har förstärkts signifikant utan väsentlig ökning i brus. 1 l0047800/KR,ASH 10 15 518 579 11 n n o n c ø n Q o o n | n n | n Q o ø nu Föreliggande uppfinning ger ett förbättrat sätt för ultraljudlasertestning varvid sättet ger snabb, kontaktfri och icke-destruktiv inspektionsteknik som kan appliceras till komplexa sammansatta strukturer. Detta ger en flexibel, exakt och kostnadseffektiv metod för att in- spektera komplexa sammansatta strukturer som inte tidigare var tillgänglig. Denna metod kan snabbt avsöka och testa sammansatta strukturer med stor storlek.

Föreliggande uppfinning förbättrar även signal-till-brus-förhållandet för ett laser- ultraljudtestsystem. Denna ökade känslighet beror på de ökade detekteringsintensitetema så- lunda reducerande den krävda intensiteten hos detekteringslasem.

På samma sätt ger föreliggande uppfinning möjligheten att använda en detekterings- lasenmed lägre utmatningseffekt. Detta tillåter användningen av en mindre samlingsoptik och optiska avsökare.

Dessutom är en annan teknisk fördel enligt föreliggande uppfinning möjligheten av ett ökat arbetsavstånd mellan målobjektet och avsökaren genom att optiskt förstärka det fas- modulerade ljuset.

Fastän föreliggande uppfinning speciellt har visats och beskrivits i detalj inses att olika ändringar, ersättningar och alternativ kan göras utan att man frångår uppfinningens idé och område såsom definierat i de åtföljande kraven. l l0047800/KR,ASH

Claims (20)

10 15 20 25 30 518 579 12 a o u ø u n ø ø ø o n u n @ | ø ø ø ou Patentkrav

1. Sätt att detektera av ultraljud-ytförskjutningar på ett mål, omfattande stegen: att alstra ultraljud-yttörskjutningar vid målet; att använda en första pulsad laserstråle för att detektera ultraljud-ytíörskjutriingania vid målet; att samla fasmodulerat ljus från den första pulsade laserstrålen spridd av målet; att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset efier att det fasmodulerade ljuset har samlats; att förhindra reflekterad fasmodulerad ljusåtermatning in i en optisk förstärkare med åtminstone en optisk isolationssamrnansättning placerad i vägen för utbredningen av det fas- modulerade ljuset som har samlats; och att bearbeta det fasmodulerade ljuset för att erhålla data som är representativa for ultraljud-ytförskjutningama vid målet.

2. Sätt enligt krav 1, där steget att behandla det fasmodulerade ljuset ytterligare om- fattar stegen: att använda en interferometer för att demodulera det fasmodulerade ljuset fór att ska- pa åtminstone en optisk signal; att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal; och att använda en digital signalprocessor fór att bearbeta nämnda åtminstone en digitala signal.

3. Sätt enligt krav 2, där steget att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal ytterligare omfattar stegen: att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en analog signal; och att omvandla nämnda åtminstone en analoga signal till åtminstone en digital signal.

4. Sätt enligt krav 1, där ultraljud-yttörskjutningama vid målet alstras användande en andra pulsad laserstråle och där den första pulsade laserstrålen appliceras koaxialt med den andra pulsade laserstrålen.

5. Sätt enligt krav 1, där steget att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset åstad- koms användande en optisk flerpassage-törstärkare.

6. Sätt enligt krav 1, där steget att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset åstad- koms användande en dopad fiberoptisk bärare kopplad till en optisk pump. l l0047800/KR,ASH 10 15 20 25 30 518 579 13

7. Sätt enligt krav 1, dessutom omfattande förstärkning av den första pulsade laser- strålen innan applicering av den till målet.

8. Sätt att alstra och detektera ultraljud-ytförskjutningar på ett mål dessutom omfat- tande stegen: att använda en första pulsad laserstråle för att alstra ultraljud-ytförskjumingarna vid målet; att förstärka en andra pulsad laserstråle; att rikta den andra pulsade laserstrålen vid målet för att detektera ultraljud- ytförskjutningarna; _ att samla fasmodulerat ljus från den andra pulsade laserstrålen som är spritt medelst målet; att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset efter att det fasmodulerade ljuset har samlats; att förhindra reflekterad fasmodulerad ljusåterkoppling in i en optisk förstärkare med åtminstone en optisk isolationssammansättning placerad i vägen för utbredningen av det fas- modulerade ljuset som har samlats; och att bearbeta det fasmodulerade ljuset för att erhålla data som är representativa för ultraljud-ytförskj utningarna vid målet.

9. Sätt enligt krav 8, där den andra pulsade laserstrålen appliceras koaxialt med den första pulsade laserstrålen.

10. Sätt enligt krav 8, där steget att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset åstad- koms användande en optisk flerpassageförstärkare.

11. Sätt enligt krav 8, där steget att optiskt förstärka det fasmodulerade ljuset åstad- koms användande en dopad fiberoptisk bärare kopplad till en optisk pump.

12. Sätt enligt krav 8, där steget att bearbeta det fasmodulerade ljuset omfattar: att använda en interferometer för att demodulera det fasmodulerade ljuset för att ska- pa åtminstone en optisk signal; att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal; och att använda en digital signalprocessor för att bearbeta nänmda åtminstone en digitala signal.

13. Sätt enligt krav 12, där steget att omvandla nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en digital signal omfattar: l l0O47800/KR,ASH .vevar 10 15 20 25 30 s 1 s 579 šïï* 'f 14 - - | o ø - . ø u | un omvandling av nämnda åtminstone en optiska signal till åtminstone en analog signal; och omvandling av nämnda åtminstone en analog signal till åtminstone en digital signal.

14. Sätt enligt krav 8 dessutom omfattande bearbetning av data representativa för ultraljud-ytförskjutningama för att bestämma en plats för fel eller en diskontinuitet vid målet.

15. System för att detektera ultraljud-ytförskjutningar inträffande på en yta hos ett mål omfattande: en detekteringslaser för att alstra en första pulsad laserstråle för att detektera ultra- ljud-ytförskjutningarria vid målet; samlingsoptik för att samla fasmodulerat ljus från den första pulsade laserstrålen spritt medelst målet; en optisk förstärkare för att förstärka det fasmodulerade ljuset samlat av samlingsop- tiken; åtminstone en optisk isolationssammansättning placerad i vägen för utbredningen av det fasmodulerade ljuset samlat av samlingsoptiken för att förhindra reflekterad laserljusåter- matning in i den optiska förstärkaren; en interferometer för att bearbeta det fasmodulerade ljuset och alstra åtminstone en utmatningssignal; och en bearbetningsenhet för att bearbeta nämnda åtminstone en utmatningssignal för att erhålla data representativa för ultraljud-ytförskjutningarna vid målet.

16. System enligt krav 15 dessutom omfattande en optisk förstärkare för att förstärka den första pulsade laserstrålen alstrad av detekteringslasem innan riktning av den första pul- sade laserstrålen på målet.

17. System enligt krav 15 dessutom omfattande en optisk avståndsbestämnings-enhet för att beräkna ett avstånd med vilket målet är åtskilt från systemet.

18. System enligt krav 15, dessutom omfattande en alstrande laser för att alstra en andra pulsade laserstråle för att inducera ultraljud-ytfluktuationema, och där den andra pulsa- de laserstrålen appliceras koaxialt med den första pulsade laserstrålen.

19. System enligt krav 15, där den optiska förstärkaren är en optisk flerpassageför- stärkare.

20. System enligt krav 15, där den optiska förstärkaren omfattas av en dopad fiber- optisk bärare och en optisk pump kopplad därtill. l l0047800/KR,ASH