TWI472758B - 產生中紅外線雷射以用於超音波檢測之方法及裝置 - Google Patents

Description

產生中紅外線雷射以用於超音波檢測之方法及裝置

本發明大體而言係關於非破壞性測試之領域。更具體言之，本發明係關於用於形成具中紅外線波長之產生雷射光束的方法及系統。

複合材料形成中之最近發展已將複合材料之使用擴展至廣泛多種應用。由於複合材料之與低重量相結合的高強度及耐用性，複合物正替代金屬及金屬合金來作為特定負載承載組件之基底材料。舉例而言，現常常將複合物用作為諸如汽車、船及飛機之載運工具的主體部件及結構之材料。然而，為了確保複合物之機械完整性，需要嚴格的檢測。通常要求在由複合物製成之組件製造後或在組件之使用期間週期性地進行檢測。

雷射超音波為檢測由複合材料製成之物件之方法的一個實例。該方法涉及藉由用一脈衝雷射輻照複合物之一部分而在一複合物表面上形成超音波振動。將一偵測雷射光束導向該振動表面且藉由該等表面振動來散射該偵測雷射光束。收集光件接收該散射的偵測雷射光且導引其以用於處理。散射的雷射光處理通常藉由一耦接至收集光件之干涉儀來執行。關於複合物之資訊可自散射的光處理確定，該資訊包括裂紋、分層、孔隙率之偵測及纖維資訊。

本文中揭示一種超音波測試方法，其包含：將一來自一泵浦雷射之輻射波導引至一第一光學轉換器，其中該第一光學轉換器將該輻射波轉換成一信號波及一閒頻波，其中該閒頻波波長在一中紅外線範圍中；將該信號波及該閒頻波導引至一第二光學轉換器，其中該第二光學轉換器將該信號波波長轉換至一中紅外線範圍且該閒頻波大體上不變地通過該第二光學轉換器，且其中該閒頻波與該經轉換信號波組合以形成一單輸出波；及將該單輸出波導向一檢測物件之一檢測表面以用於該檢測物件之超音波測試。

該輸出波可為一用於在該檢測表面上產生超音波位移及/或用於偵測該檢測表面上之超音波位移之產生波。該檢測表面可包含一複合物。在一項實施例中，該第一光學轉換器為一光學參數振盪器。在一項實施例中，該第二光學轉換器可為一光學參數轉換器或一差頻產生器。視情況，該第一光學轉換器與該第二光學轉換器經組合成一單晶體。該第一光學轉換器與該第二光學轉換器可隔離至該晶體之不同部分中，視情況，該第一光學轉換器與該第二光學轉換器整合於一單晶體內。

在一超音波測試方法之一可選實施例中，該泵浦雷射波波長為約1.064微米。在超音波測試方法之一可選實施例中，該信號波波長為約1.594微米。在超音波測試方法之一可選實施例中，該閒頻波波長為約3.2微米。本發明方法之輸出波波長可自約3微米變化至約4微米之間。視情況，在本發明之超音波測試方法的一項實施例中，該輸出波波長為約3.2微米。

本文中揭示一種對一測試物件進行雷射超音波測試之方法，其包含：將一具有一約1.064微米之波長的輸入雷射波轉換成一具有一約3.2微米之波長的信號波及一具有一約1.594微米之波長的閒頻波；將該信號波波長轉換至約3.2微米；及藉由將該閒頻波及該經轉換信號波作為一組合波導引至一目標物件之一目標表面而在該目標表面上形成超音波振動。該方法可進一步包括產生一第二組合波、將該第二組合波導引到該振動目標表面上及使用該第二組合波偵測目標表面位移。該轉換該輸入雷射波之步驟可涉及將該輸入波導引至一光學參數振盪器。該形成一經轉換信號波之步驟可涉及將該信號波及該閒頻波導引至一頻率轉換器，其中該頻率轉換器可為一光學參數振盪器及一差頻產生器。

本揭示案亦包括一種雷射超音波測試系統，其包括：一輸入雷射源；一第一光學頻率轉換器，其經耦接以自該輸入雷射源接收一輸入波，該第一光學頻率轉換器經組態以將該輸入波轉換成一閒頻波及一信號波，其中該閒頻波及該信號波具有不同波長。該測試系統亦可包括一第二光學頻率轉換器，其經耦接以接收該閒頻波及該信號波且經組態以將該信號波波長轉換至該閒頻波之大體上相同波長且發射一包含該經轉換信號波及該閒頻波之組合輸出波，其中該組合輸出波可導引至一目標物件之目標表面以在該目標表面上形成一超音波振動。該系統可進一步包括一偵測雷射，其可導引至該目標表面且經組態以記錄(register)一目標表面振動。

該輸入雷射波可具有一約1.064微米之波長。該閒頻波及該經轉換信號波可具有一自約3微米變化至約4微米之間的波長。該閒頻波及該經轉換信號波可具有一約3.2微米之波長。該第一光學轉換器可為一光學參數振盪器。該第二光學轉換器可為一光學參數轉換器或一差頻產生器。

已陳述了本發明之特徵及益處中的一些，當結合隨附圖式考慮時，其他特徵及益處將隨著描述進行而變得顯而易見。

現將參看隨附圖式在下文中更充分地描述本發明，在該等隨附圖式中展示本發明之實施例。然而，本發明可以許多不同形式實施，且不應被解釋為限於本文中所闡述的所說明實施例；更確切而言，提供此等實施例使得本揭示案將澈底且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明之範疇。相似數字始終指代相似元件。為引用附圖方便起見，方向術語僅用於參考及說明。舉例而言，將諸如「上部」、「下部」、「在...之上」、「在...之下」的方向術語及其類似者用於說明關係位置。

應理解，本發明不限於所展示及描述之構造、操作、精確材料或實施例之精確細節，因為熟習此項技術者將容易理解修改及等效物。已在諸圖式及說明書中揭示了本發明之說明性實施例，且儘管使用了特定術語，但該等術語僅用於一般及描述性意義而不用於限制之目的。因此，本發明因而僅受附加之申請專利範圍之範疇限制。

圖1提供雷射超音波偵測系統10的一項實施例之側面透視圖。偵測系統10包含一雷射超音波單元12，其經形成以發射一產生光束14且該光束導引至一檢測目標15。產生光束14接觸檢測表面16上之檢測目標15。產生光束14使檢測表面16熱彈性地膨脹以在檢測表面16上形成對應波位移18。在一項實施例中，產生光束14為一經組態以在檢測表面16上形成波位移18之脈衝雷射。亦說明一自雷射超音波單元12發出之偵測光束20且將其展示為同軸圍繞產生光束14。雖然自同一雷射超音波單元12發出，但偵測光束與產生光束(14、20)係由不同源產生。然而，偵測光束20可視情況源自不同單元以及不同位置。如所知，偵測光束20包含一偵測波，其在與波位移18接觸後發生散射、反射及相位調變以形成相位調變光21。來自偵測光束20之相位調變光21接著由收集光件23接收且經處理以判定有關檢測目標15之資訊。可在檢測目標15上掃描產生光束及偵測光束(14、20)以獲得關於整個檢測表面16之資訊。一用以掃描該等光束(14、20)之機構(未圖示)可收藏於雷射超音波單元12內。一用於控制該機構且視情況用於處理由收集光件所記錄之資料的處理器(未圖示)亦可收藏於雷射超音波單元12中。收集光件23經展示為與雷射超音波單元12分離且經由箭頭A與雷射超音波單元12通信，然而，收集光件可包括於雷射超音波單元12內。

現參看圖2，以示意圖說明中紅外線產生器22之一項實 施例。如下文將更詳細描述，中紅外線產生器22產生一可用於圖1之產生光束14中之一者之輸出波。在所示實施例中，中紅外線產生器22包含發射一導引至第一光學頻率轉換器30之泵浦雷射光束26之泵浦雷射24。第一光學頻率轉換器30將該單泵浦輸入波轉換成兩個波：(1)閒頻波32及(2)信號波36。某一量之剩餘泵浦波34穿過轉換器30。每一波(32、34、36)具有一不同波長。轉換器以低於100%的效率運作且允許來自該泵浦雷射光束之能量的一小部分通過其。

自第一光學頻率轉換器30發射之波經導引至第二光學頻率轉換器38。第二光學頻率轉換器38已經組態以允許閒頻波32自由地通過而不影響閒頻波之諸如頻率、波長及能量的波性中之任一者。然而，信號波36波長在第二光學頻率轉換器38內經轉換成大體上與閒頻波32波長相同。因此，閒頻波32與信號波36經組合成一具有一規定波長及一大於閒頻波32能量位準之能量位準的單輸出波40。因此，中紅外線產生器22經組態以產生一具有一用於超音波測試之所要波長的輸出波40。

視情況，輸入耦合器28及輸出耦合器42可安置於第一光學頻率轉換器及第二光學頻率轉換器(30、38)之各別輸入及輸出上。如所知，輸入耦合器與輸出耦合器(28、42)形成一增加轉換器30及38之轉換效率之光學腔室。耦合器28及42在泵浦、閒頻及信號波長下具有反射及透射特性，及經設計以使輸出光束40中之能量最大的曲率半徑。該等設計值藉由計算、建模及實驗而判定。本文中所描述之器件不限於圖2之實施例，而是可包括若干其他腔室方法。舉例而言，替代實施例包括三臂或四臂腔室，該等腔室包括更多耦合器或鏡子。圖5中展示一四臂腔室53之一實例。此處，泵浦雷射光束26c穿過第一輸入耦合器54，且閒頻波32c自輸出耦合器57離開腔室53。第一頻率轉換器及第二頻率轉換器(30b、38b)位於腔室53之不同臂中。泵浦光束34c之剩餘部分自輸出耦合器55射出，且閒頻波及信號波向著鏡子56射出第二光學頻率轉換器38b。多臂腔室之一優點在於防止泵浦到達第二轉換器，從而降低對光學塗層及損壞臨限值之要求。

在圖2之中紅外線產生器22之使用的一個實例中，泵浦雷射光束26波長為約1.064微米。在此實施例中，第一光學頻率轉換器30經組態以將泵浦雷射光束26轉換成閒頻波32，其中閒頻波32波長為約3.2微米，且信號波36波長為約1.594微米。此外，在此實施例中，第二光學頻率轉換器38經組態以在將信號波36自約1.594微米轉換至約3.2微米的同時允許閒頻波32自由地通過。第二光學頻率轉換器38因此產生一經轉換信號波36，其與通過閒頻波32組合而形成輸出波40。因此，第二光學頻率轉換器38之使用藉由經由經轉換信號波36來恢復能量而提昇輸出波40之功率。已發現，複合材料之雷射超音波測試藉由使用波長在中紅外線範圍(亦即，約3微米至約4微米)中之雷射波而得到大大增強。更具體言之，複合物表面之增強偵測藉由使用波長為約3.2微米之雷射波而實現。可使用此雷射評估之複合物表面特性包括缺陷、分層、包含物、裂紋，及諸如纖維定向及纖維密度之纖維特性。

本發明之器件及方法之使用的另一優點為，許多適當執行之雷射泵浦在大約1微米下運作，彼等雷射泵浦包括(列舉其中之少許)Nd:YAG、Yb:YAG及Nd:YVO₄ 。因此，此等雷射包含用於中紅外線產生器22之泵浦雷射24的可行候選者。在一項實施例中，第一光學頻率轉換器30可包含一光學參數振盪器(OPO)。在另一實施例中，第二光學頻率轉換器38可包含一OPO以及一差頻產生器(DFG)。OPO及DFG可由一理想的相位匹配晶體製成或由一週期性極化之準相位匹配晶體製成。

圖3a提供中紅外線產生器22a之一替代實施例。在此實施例中，泵浦雷射24a發射一通過可選輸入耦合器28a而朝向頻率轉換器之泵浦雷射光束26a。此處，第一光學頻率轉換器30a與第二光學頻率轉換器38a組合於一單晶體中。該晶體之前端部分包含第一光學頻率轉換器30a，且第二部分包含第二光學頻率轉換器38a。該組合晶體可由熔合在一起的兩個相位匹配晶體製成或由一凖相位匹配之週期性極化晶體44製成，且以示意圖展示於圖3b中。藉由一系列窄的柵線46來說明晶體44之形成第一光學頻率轉換器30a之部分。較厚且間隔更閉的寬柵線48說明晶體44之形成第二光學頻率轉換器38a之部分。此等柵線(46、48)說明以熟知方法形成的週期極化之位置。晶體44之第一區段的極化經設計以將泵浦轉換成閒頻及信號(30a)，而晶體之第二區段(38a)的極化經設計以將信號轉換成閒頻。

圖4a中展示中紅外線產生器22b之又一實施例的示意圖。在此實施例中，泵浦雷射24b發射一穿過可選輸入耦合器28b之雷射泵浦光束26b，其中泵浦雷射光束26b被接收於一整合式光學頻率轉換器50中。整合式光學頻率轉換器50以基本上與第一光學頻率轉換及第二光學頻率轉換器(30、38)相同的方式運作且執行基本上與第一光學頻率轉換及第二光學頻率轉換器(30、38)相同的功能。整合式光學頻率轉換器50亦發射用作為一超音波雷射測試光束之輸出波40b。在圖4b中將圖4a之整合式光學頻率轉換器50示意地描繪為整合式週期性極化晶體52。此處，薄柵線46a及寬柵線48a沿著晶體52之長度交替。

然而，應指出，藉由中紅外線產生器之實施例中之任一者形成的最終波不限於3.2微米，而是可包括約3微米至約4微米。為達成本文中之論述的目的，中紅外線範圍界定一具有一自約3微米至約4微米之波長的波。

本文中所描述之本發明因此將十分適合於進行該等物件且獲得所提及之目標及優點，以及其中所固有的其他目標及優點。儘管已出於揭示之目的而給出了本發明之目前較佳實施例，但為了實現所要結果，程序之細節中存在許多改變。此等及其他類似修改將容易地使彼等熟習此項技術者想到其，且意欲包涵於本文中所揭示的本發明之精神以及附加之申請專利範圍之範疇內。

10．．．雷射超音波偵測系統

12．．．雷射超音波單元

14．．．產生光束

15．．．檢測目標

16．．．檢測表面

18．．．對應波位移

20．．．偵測光束

21．．．相位調變光

22．．．中紅外線產生器

22a．．．中紅外線產生器

22b．．．中紅外線產生器

23．．．收集光件

24．．．泵浦雷射

24a．．．泵浦雷射

24b．．．泵浦雷射

26．．．泵浦雷射光束

26a．．．泵浦雷射光束

26b．．．泵浦雷射光束

26c．．．泵浦雷射光束

28．．．輸入耦合器

28a．．．可選輸入耦合器

28b．．．可選輸入耦合器

30．．．第一光學頻率轉換器

30a．．．第一光學頻率轉換器

30b．．．第一光學頻率轉換器

32．．．閒頻波

32c．．．閒頻波

34．．．泵浦波

34c．．．泵浦光束

36．．．信號波

38．．．第二光學頻率轉換器

38a．．．第二光學頻率轉換器

38b．．．第二光學頻率轉換器

40．．．單輸出波/輸出光束

40b．．．輸出波

42．．．輸出耦合器

44．．．晶體

46．．．窄柵線

46a．．．薄柵線

48．．．寬柵線

48a．．．寬柵線

50．．．整合式光學頻率轉換器

52．．．晶體

53．．．四臂腔室

54．．．第一輸入耦合器

55．．．輸出耦合器

56．．．鏡子

57．．．輸出耦合器

A．．．箭頭

圖1為超音波檢測系統之透視圖；

圖2說明用於超音波測試之光源之一實施例的示意表示；

圖3a及圖4a為用於超音波測試之光源之替代實施例的示意表示；

圖3b及圖4b為供超音波測試光源使用之極化晶體的示意圖；及

圖5為用於超音波測試之光源之一替代實施例的示意表示。

儘管將結合較佳實施例來描述本發明，但將理解，本發明不欲限於彼實施例。正相反，本發明意欲涵蓋如可包括於如由附加之申請專利範圍所界定的本發明之精神及範疇內的所有替代物、修改及等效物。

22．．．中紅外線產生器

24．．．泵浦雷射

26．．．泵浦雷射光束

28．．．輸入耦合器

30．．．第一光學頻率轉換器

32．．．閒頻波

34．．．泵浦波

36．．．信號波

38．．．第二光學頻率轉換器

40．．．單輸出波

42．．．輸出耦合器

Claims (21)

1. 一種超音波測試方法，其包含：將一來自一泵浦雷射之輻射波導引至設於一晶體內之一第一光學轉換器，其中該第一光學轉換器將該輻射波轉換成一信號波及一閒頻波，其中閒頻波波長在一中紅外線範圍中；將該信號波及該閒頻波導引至與該第一光學轉換器設於一晶體內之一第二光學轉換器，其中該第二光學轉換器將信號波波長轉換至一中紅外線範圍且該閒頻波大體上不變地通過該第二光學轉換器，且其中該閒頻波與該經轉換信號波組合以形成一單輸出波；及將該單輸出波導向一檢測物件之一檢測表面以用於該檢測物件之超音波測試。
2. 如請求項1之方法，其中該單輸出波為一用於在該檢測表面上產生超音波位移之產生波。
3. 如請求項1之方法，其中該單輸出波為一用於偵測該檢測表面上之超音波位移之偵測波。
4. 如請求項1之方法，其中該檢測表面為一複合物。
5. 如請求項1之方法，其中該第一光學轉換器包含一光學參數振盪器。
6. 如請求項1之方法，其中該第二光學轉換器包含一選自由一光學參數轉換器及一差頻產生器組成之清單之器件。
7. 如請求項1之方法，其中該第一光學轉換器與該第二光 學轉換器被隔離至該晶體之不同部分中。
8. 如請求項1之方法，其中該第一光學轉換器與該第二光學轉換器整合於該晶體內。
9. 如請求項1之方法，其中泵浦雷射波波長為約1.064微米，該信號波波長為約1.594微米，且該閒頻波波長為約3.2微米。
10. 如請求項1之方法，其中輸出波波長之範圍為約3微米至約4微米。
11. 如請求項1之方法，其中輸出波波長為約3.2微米。
12. 一種對一測試物件進行雷射超音波測試之方法，其包含：(a)將一具有一約1.064微米之波長的輸入雷射波導引至一晶體；(b)將該輸入雷射波轉換成一具有一約1.594微米之波長的信號波及一具有一約3.2微米之波長的閒頻波；(c)將該信號波波長在該晶體之一不同部分內轉換至約3.2微米；及(d)藉由將該閒頻波及該經轉換信號波作為一組合波導引至一目標物件之一目標表面而在該目標表面上形成超音波位移。
13. 如請求項12之方法，其進一步包含產生一第二雷射光束、將該第二雷射光束導引到該振動目標表面上及偵測目標表面位移。
14. 如請求項12之方法，其中步驟(a)包含將該輸入波導引至 一光學參數振盪器。
15. 如請求項12之方法，其中步驟(b)包含將該信號波及該閒頻波導引至一包含一選自由一光學參數振盪器及一差頻產生器組成之清單的頻率轉換器之器件。
16. 一種雷射超音波測試系統，其包含：一輸入雷射源；一晶體；一第一光學頻率轉換器，其配置於該晶體內將一輸入波轉換成一信號波及一閒頻波；一第二光學頻率轉換器，其配置於該晶體內且與該第一光學頻率轉換器整合，該第二光學頻率轉換器用以將該信號波波長轉換至大體上相同波長之該閒頻波且用以發射一包含該經轉換信號波及該閒頻波之組合輸出波，其中該組合輸出波可導引至一目標物件之目標表面以在該目標表面上形成一超音波振動；及一偵測雷射，其可導引至該目標表面且經組態以偵測超音波位移。
17. 如請求項16之雷射超音波測試系統，其中該輸入雷射波具有一約1.064微米之波長。
18. 如請求項16之雷射超音波測試系統，其中該閒頻波及該經轉換信號波具有一自約3微米變化至4微米的波長。
19. 如請求項16之雷射超音波測試系統，其中該閒頻波及該經轉換信號波具有一約3.2微米之波長。
20. 如請求項16之雷射超音波測試系統，其中該第一光學轉 換器包含一光學參數振盪器。
21. 如請求項16之雷射超音波測試系統，其中該第二光學轉換器包含一選自由一光學參數轉換器及一差頻產生器組成之清單之器件。