專利名稱：用于生成超聲檢查的中紅外激光器的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及非破壞性測試領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用于形成中紅 外波長的生成激光束的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近來，復(fù)合材料生成上的進步已將復(fù)合材料的使用擴展到多種應(yīng)用中。由于復(fù)合 材料重量輕并具備好的強度和耐用性，因此其正在取代金屬和金屬合金作為用于某些荷載 組件的基礎(chǔ)材料。例如，目前，復(fù)合材料被普遍用作交通工具(例如，車輛、水上飛機和航空 器等)的殼體部分和構(gòu)架的材料。然而，為了確保復(fù)合材料的機械完整性，需要嚴(yán)格的檢 查。典型地，需要在制作由復(fù)合材料制成的組件時進行檢查，并且在組件的使用壽命期間周 期性地進行檢查。激光超聲是檢查由復(fù)合材料制成的對象的方法的一個例子。該方法包括通過利用 脈沖激光器照射復(fù)合材料的一部分來在復(fù)合材料的表面上產(chǎn)生超聲振動。檢測激光束指向 振動表面并且被表面振動散射。光收集器接收散射的檢測激光并引導(dǎo)該檢測激光以便進行 處理。典型地，通過耦接至光收集器的干涉儀來進行所述處理?？梢酝ㄟ^散射光處理來確 認(rèn)與復(fù)合材料相關(guān)的信息，該信息包括裂紋、脫層、孔隙、異物(雜物)、消散的檢測和光纖 fn息ο

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種超聲測試的方法，包括將來自泵浦激光器的輻射波導(dǎo)向第一光 學(xué)轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器將所述輻射波轉(zhuǎn)換成信號波和閑散波，其中所述閑散 波波長處于中紅外范圍；將所述信號波和所述閑散波導(dǎo)向第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器，其中所述第二 光學(xué)轉(zhuǎn)換器將所述信號波波長轉(zhuǎn)換成中紅外范圍并且所述閑散波實質(zhì)上不變地通過所述 第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器，并且其中所述閑散波與所述經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波組合在一起形成單個輸出 波；以及將所述單個輸出波導(dǎo)向檢查對象的檢查表面用于對所述檢查對象進行超聲測試。輸出波可以為生成波，用于在所述檢查表面上生成超聲移位和/或用于檢測在所 述檢查表面上的超聲移位。檢查表面可以包括復(fù)合物。在一個實施例中，第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器 包括光參量振蕩器。在一個實施例中，第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器可以是光參量轉(zhuǎn)換器或差頻發(fā)生器。 可選地，第一和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器被組合成單個晶體。第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器可 以被分成晶體的不同部分，可選地，第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器被集成在單個晶體 內(nèi)。在超聲測試的方法一個可選實施例中，泵浦激光波波長約為1. 064微米。在超聲 測試的方法一個可選實施例中，信號波波長約為1.594微米。在超聲測試的方法一個可選 實施例中，閑散波波長約為3. 2微米。本方法的輸出波波長范圍可以從約3微米到約4微 米?？蛇x地，在超聲測試的方法一個可選實施例中，輸出波波長約為3. 2微米。本文公開了一種對測試對象進行激光超聲測試的方法，包括將波長約為1. 064微米的輸入激光波轉(zhuǎn)換成波長約為3. 2微米的信號波和波長約為1. 594微米的閑散波；將 所述信號波波長轉(zhuǎn)換成約為3. 2微米；以及通過將所述閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波作為組 合波導(dǎo)向目標(biāo)表面以在所述目標(biāo)對象的目標(biāo)表面上產(chǎn)生超聲移位。該方法可以進一步包括 生成第二組合波，將第二激光束導(dǎo)向振動目標(biāo)表面上，以及用第二組合波檢測目標(biāo)表面移 位。轉(zhuǎn)換輸入激光波的步驟可以包括將輸入波導(dǎo)向光參量振蕩器。形成經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波 的步驟可以包括將信號和閑散波導(dǎo)向頻率轉(zhuǎn)換器，其中頻率轉(zhuǎn)換器可以是光參量振蕩器和 差頻發(fā)生器。本公開還包括一種激光超聲測試系統(tǒng)，包括輸入激光源；第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器， 其被耦接以從輸入激光源接收輸入波，所述第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器被配置成將輸入波轉(zhuǎn)換成 閑散波和信號波，其中閑散波和信號波具有不同的波長。還可包括在測試系統(tǒng)中的是第二 光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，其被耦接以接收閑散波和信號波并且配置成將信號波波長轉(zhuǎn)換成與閑散 波實質(zhì)上相同的波長并且發(fā)射包括經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波和閑散波的組合輸出波，其中組合輸 出波可導(dǎo)向目標(biāo)對象的目標(biāo)表面以在目標(biāo)表面上形成超聲振動。該系統(tǒng)可以進一步包括檢 測激光器，其可導(dǎo)向所述目標(biāo)表面并且配置成登記目標(biāo)表面振動。輸入激光波可以具有約為1. 064微米的波長。閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波的波長 范圍可以從約3微米到約4微米。閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波的波長可以約為3. 2微米。 第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器可以是光參量振蕩器。第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器可以是光參量轉(zhuǎn)換器或差頻發(fā)生
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已經(jīng)說明了本發(fā)明的一些特征和優(yōu)點，結(jié)合附圖根據(jù)隨后的說明，本發(fā)明的其它 特征和優(yōu)點將變得明顯。在附圖中圖1是超聲檢查系統(tǒng)的透視圖。圖2示出了用于超聲測試的光源的實施例的示意表示。圖3和圖4是用于超聲測試的光源的替代實施例的示意表示。圖北和圖4b是用于超聲測試光源的極化晶體的示意圖。圖5是用于超聲測試的光源的替代實施例的示意表示。盡管將結(jié)合優(yōu)選的實施例說明本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，這并非意圖將本發(fā)明限定于 實施例。相反，意圖涵蓋可由隨附的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍所包括的所有 改變、變形和等價。
具體實施例方式下面參照示出本發(fā)明實施例的附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。然而，可以以不同的形 式表現(xiàn)本發(fā)明，并且這些形式不應(yīng)被構(gòu)成為限定在此提出的所說明的實施例；相反，這些實 施例是為了使本公開充分且完整而提出的，并且將使本領(lǐng)域技術(shù)人員完全知曉本發(fā)明的范 圍。文中相同的附圖標(biāo)記表示相同的原件。為了引用附圖方便，對于參照和圖解說明僅使 用方向術(shù)語。例如，使用“上方”、“下方”、“高于”、“低于”等來說明相對位置。應(yīng)當(dāng)理解，由于對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，變形和等價是明顯的，因此本發(fā)明不限 于所示出并說明的結(jié)構(gòu)、操作、具體材料或?qū)嵤├木唧w細(xì)節(jié)。在附圖和說明書中，已公開了本發(fā)明的示例性實施例，并且，盡管采用了具體的術(shù)語，但其僅在一般意義和說明意義上 使用而并非用于限定的目的。由此，本發(fā)明因而僅由隨附的權(quán)利要求書的范圍限定。圖1提供了激光超聲檢測系統(tǒng)10的一個實施例的側(cè)面斜視圖。檢測系統(tǒng)10包括 形成為發(fā)射生成光束14并指向檢查目標(biāo)15的激光超聲單元12。生成光束14在檢查表面 16上與檢查目標(biāo)15接觸。生成光束14熱彈性膨脹檢查表面16以在檢查表面16上產(chǎn)生相 應(yīng)的波長移位18。在一個實施例中，生成光束14是配置成在檢查表面16上產(chǎn)生波長移位 18的脈沖激光。檢測光束20還被示出從激光超聲單元12發(fā)出并且示出為繞生成光束14 是共軸的。盡管從相同的激光超聲單元12發(fā)出，但檢測光束和生成光束(14，20)由不同的 源生成。然而，檢測光束20可優(yōu)選地源自不同的單元及不同的位置。眾所周知，檢測光束 20包括檢測波，該檢測波被散射、反射，并且在與波長移位18作用時被相位調(diào)制，以形成相 位調(diào)制光21。然后，來自檢測光束20的相位調(diào)制光21被光收集器23接收并被處理以確 定與檢查目標(biāo)15有關(guān)的信息?？梢允股晒馐蜋z測光束(14，20)沿目標(biāo)15掃描以獲取 關(guān)于整個表面16的信息。用于使光束(14，20)掃描的機構(gòu)(未示出)可以被放置在激光 超聲單元12中。用于控制所述機構(gòu)，并且優(yōu)選地用于處理光收集器所記錄的數(shù)據(jù)的處理器 (未示出)也可以被放置在激光超聲單元12中。通過箭頭A示出光收集器23從激光超聲 單元12分離并且與激光超聲單元12通信，然而，光收集器可以與激光超聲單元12包含在 一起。現(xiàn)在參考圖2，在示意圖中示出了中紅外發(fā)生器22的一個實施例。如下文具體描 述，中紅外發(fā)生器22生成可用于圖1的一個生成激光束14的輸出波。在所示實施例中， 中紅外發(fā)生器22包括泵浦激光器M，其發(fā)射被導(dǎo)向第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30的泵浦激光束 26。第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30將單個泵浦輸入波轉(zhuǎn)換成兩個波(1)閑散波32和( 信號 波36。剩余泵浦波34中的一部分通過轉(zhuǎn)換器30。每個波(32、34、36)都具有不同的波長。 轉(zhuǎn)換器工作在100%效率下并且允許來自泵浦激光束的一小部分能量通過。從第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30發(fā)射的波被導(dǎo)向第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38。第二光學(xué)頻 率轉(zhuǎn)換器38已被配置成允許閑散波32的自由通過，而不影響其任何波特性，諸如頻率波長 和能量。然而，信號波36的波長在第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38中被轉(zhuǎn)換成與閑散波32的波長 實質(zhì)上相同。因此，閑散波32和信號波36被組合成單個輸出波40，其具有特定波長并且其 能級大于閑散波32的能級。因此，中紅外發(fā)生器22被配置成產(chǎn)生具有預(yù)期波長的輸出波 40用于超聲測試。可選地，輸入耦合器觀和輸出耦合器42可以被置于第一和第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器 (30,38)的對應(yīng)輸入端和輸出端。如圖所示，輸入和輸出耦合器(觀、4幻形成光學(xué)腔，增加 了轉(zhuǎn)換器30和38的轉(zhuǎn)換效率。耦合器洲和42具有泵浦、閑散和信號波長下的反射和透 射特性，以及設(shè)計成最大化輸出光束40中的能量的曲率半徑。設(shè)計值通過計算、建模和實 驗確定。本文所述的裝置不限于圖2的實施例，而可以包括幾種其他腔的方法。例如，替代 實施例包括三個或四個臂腔，其包括更多的耦合器或鏡子。圖5示出了四個臂腔53的示 例。這里，泵浦激光束26c通過第一輸入耦合器M并且閑散波32c從輸出耦合器57離開 腔53。第一和第二頻率轉(zhuǎn)換器(30b、38b)處于腔53中的不同臂中。泵浦光束34c的剩余 部分從輸出耦合器55排出而閑散和信號波逸出第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38b朝向鏡子56。多 個臂腔的一個優(yōu)勢在于防止泵浦到達第二轉(zhuǎn)換器，減少了光學(xué)涂層的需求和損壞閾。
在使用圖2的中紅外發(fā)生器22的一個示例中，泵浦激光束沈的波長約為1. 064 微米。在該實施例中，第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30被配置成將泵浦激光束沈轉(zhuǎn)換成閑散波32， 其中閑散波32的波長約為3. 2微米，而信號波36的波長約為1. 594微米。另外，在該實施 例中，第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38被配置成允許閑散波32的自由通過，同時將信號波36從約 為1. 594微米轉(zhuǎn)換成約為3. 2微米。因此，第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38產(chǎn)生經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波 36，其與通過的閑散波32組合在一起形成輸出波40。因此，通過經(jīng)由經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波36 恢復(fù)能量，使用第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38提高了輸出波40功率。已發(fā)現(xiàn)，通過使用波長處于 中紅外范圍，即波長約3微米到約4微米的激光波極大改進了復(fù)合材料的激光超聲測試。更 具體地說，通過使用波長約為3. 2微米的激光波實現(xiàn)了改進的復(fù)合材料的檢測?？山柚@ 種激光器進行估計的復(fù)合表面特征包括缺陷、脫層、雜物、裂紋和光纖特性，諸如光纖定向 和光纖密度。使用本裝置和方法的另一優(yōu)勢在于，許多良好執(zhí)行的激光器泵浦工作在1微米周 圍，舉例來說包括Nd:YAGJb:YAG和Nd:YV04。因此，這些激光器包括用于中紅外發(fā)生器22 的泵浦激光器M的可行候選。在一個實施例中，第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30可包括光參量振 蕩器(0P0)。在另一實施例中，第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38可包括OPO以及差頻發(fā)生器(DTO)。 OPO和Dre可以由完美相位匹配的晶體組成或者由周期性極化的準(zhǔn)相位匹配晶體組成。圖3a提供了中紅外發(fā)生器22a的替代實施例。在該實施例中，泵浦激光器2 發(fā) 射泵浦激光束沈⑴通過光學(xué)輸入耦合器28a朝向頻率轉(zhuǎn)換器。這里，第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器 30a與第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38a組合成單個晶體。晶體的前端部分包括第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換 器30a而第二部分包括第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38a。組合的晶體可由融合到一起的兩個相位 匹配的晶體組成，或者由圖北中示意圖示出的準(zhǔn)相位匹配周期性極化的晶體44組成。形成 第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器30a的晶體44的一部分由一系列窄網(wǎng)格線46示出。較密和更大間隔 寬度的網(wǎng)格線48示出了形成第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器38a的晶體44的部分。這些網(wǎng)格線06、 48)示出了以公知方法形成的周期極化的位置。晶體44的第一部分的極化被設(shè)計成將泵浦 轉(zhuǎn)換成閑散和信號(30a)，而晶體(38a)的第二部分的極化被設(shè)計成將信號轉(zhuǎn)換成閑散。圖如示出了中紅外發(fā)生器22b的再一實施例的示意圖。在該實施例中，泵浦激光 器24b發(fā)射泵浦激光束^b，通過可選的輸入耦合器^b，其中泵浦激光束26b被接收到集 成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器50中。集成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器50以本質(zhì)上與第一和第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn) 換器(30、38)相同的方式工作并且執(zhí)行本質(zhì)上相同的功能。集成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器50還 發(fā)射輸出波40b，用作超聲激光測試光束。圖如的集成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器50在圖4b中示 意性地刻畫為集成的周期性極化晶體52。這里，窄網(wǎng)格線46a和寬網(wǎng)格線48a沿晶體52長 度方向交替。然而，應(yīng)當(dāng)指出，由中紅外發(fā)生器的任何實施例所產(chǎn)生的最終波并不限于3. 2微 米，而是可以包括從約3微米到約為4微米。為了本文討論的目的，中紅外范圍定義了波長 從約3微米到約為4微米的波。因此，在此說明的本發(fā)明及其所包括其它內(nèi)容能夠滿意地解決技術(shù)問題并且實現(xiàn) 述及的目的和優(yōu)點。盡管為了說明的目的給出了本發(fā)明當(dāng)下的優(yōu)選實施例，但在用于實現(xiàn) 期望的結(jié)果的具體過程中，存在多種改變。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這些改變和其它類似 的變形是顯見的，并且這些改變和變形意圖包括于在此公開的本發(fā)明的精神和隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲測試的方法，包括將來自泵浦激光器的輻射波導(dǎo)向第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器，其中所述第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器將所述輻 射波轉(zhuǎn)換成信號波和閑散波，其中所述閑散波波長處于中紅外范圍；將所述信號波和所述閑散波導(dǎo)向第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器，其中所述第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器將所述信 號波波長轉(zhuǎn)換成中紅外范圍并且所述閑散波實質(zhì)上不變地通過所述第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器，并且 其中所述閑散波與所述經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波組合在一起形成單個輸出波；以及將所述單個輸出波導(dǎo)向檢查對象的檢查表面用于對所述檢查對象進行超聲測試。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中單個輸出波為生成波，用于在所述檢查表面上生成 超聲移位。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單個輸出波為檢測波，用于檢測在所述檢查表 面上的超聲移位。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述檢查表面是復(fù)合物。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括光參量振蕩器。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括選自由光參量轉(zhuǎn)換器和差 頻發(fā)生器組成的列表中的裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器被組合成單個晶體。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器被分成晶體 的不同部分。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器和第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器被集成在所 述晶體內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中泵浦激光波波長約為1.064微米，信號波波長約為 1. 594微米，而閑散波波長約為3. 2微米。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中輸出波波長范圍為從約3微米到約4微米。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中輸出波波長約為3.2微米。
13.—種對測試對象進行激光超聲測試的方法，包括(a)將波長約為1.064微米的輸入激光波轉(zhuǎn)換成波長約為3. 2微米的信號波和波長約 為1.594微米的閑散波；(b)將所述信號波波長轉(zhuǎn)換成約為3.2微米；以及(c)通過將所述閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波作為組合波導(dǎo)向目標(biāo)表面以在所述目標(biāo)對 象的目標(biāo)表面上產(chǎn)生超聲移位。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括生成第二激光束，將第二激光束導(dǎo)向振動 目標(biāo)表面上，以及檢測目標(biāo)表面移位。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(a)包括將輸入波導(dǎo)向光參量振蕩器。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(b)包括將信號和閑散波導(dǎo)向包括選自由光 參量振蕩器和差頻發(fā)生器組成的列表中的頻率轉(zhuǎn)換器的裝置。
17.一種激光超聲測試系統(tǒng)，包括輸入激光源；第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，其被耦接以從輸入激光源接收輸入波，所述第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換 器被配置成將輸入波轉(zhuǎn)換成閑散波和信號波，其中閑散波和信號波具有不同的波長；第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，其被耦接以接收閑散波和信號波并且配置成將信號波波長轉(zhuǎn)換 成與閑散波實質(zhì)上相同的波長并且發(fā)射包括經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波和閑散波的組合輸出波，其 中組合輸出波可導(dǎo)向目標(biāo)對象的目標(biāo)表面以在所述目標(biāo)表面上形成超聲振動；以及 檢測激光器，其可導(dǎo)向所述目標(biāo)表面并且配置成檢測超聲移位。
18.如權(quán)利要求17所述的激光超聲測試系統(tǒng)，其中輸入激光波的波長約為1.064微米。
19.如權(quán)利要求17所述的激光超聲測試系統(tǒng)，其中閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波的波長 范圍從約3微米到約4微米。
20.如權(quán)利要求17所述的激光超聲測試系統(tǒng)，其中閑散波和經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號波的波長 約為3. 2微米。
21.如權(quán)利要求17所述的激光超聲測試系統(tǒng)，其中第一光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括光參量振蕩ο
22.如權(quán)利要求17所述的激光超聲測試系統(tǒng)，其中第二光學(xué)轉(zhuǎn)換器包括選自由光參量 轉(zhuǎn)換器和差頻發(fā)生器組成的列表中的裝置。
全文摘要
一種超聲測試的方法，包括通過有效地將輻射波波長轉(zhuǎn)換成中紅外波長來調(diào)節(jié)來自激光源的輻射波用于對復(fù)合物進行增強的超聲測試。該方法包括使得輻射波通過第一光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，其中輻射波被轉(zhuǎn)換成信號波和閑散波，其中閑散波處在中紅外波長。該方法還包括將信號和閑散波導(dǎo)向第二光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，其中信號波波長被轉(zhuǎn)換成中紅外波長，其與閑散波組合到一起形成生成波。將該生成波導(dǎo)向復(fù)合物表面用于測試。
文檔編號G01N21/17GK102089642SQ200980125464
公開日2011年6月8日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者彼得·W·洛蘭, 托馬斯·E·小德雷克, 約翰·B·小德亞頓, 羅伯特·菲利金斯, 馬克·杜波依斯 申請人:洛伊馬汀公司