用CO₂雷射器和諧波生成來產生超聲的改進中紅外雷射器的製作方法

2023-05-01 18:08:11 2

專利名稱：用CO2雷射器和諧波生成來產生超聲的改進中紅外雷射器的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及非破壞性測試領域。更具體地，本發明涉及通過利用二氧化碳 (CO2)雷射器並生成(X)2雷射器輸出的諧波來創建中距離紅外生成雷射束的系統。
背景技術：
近來，複合材料生成上的進步已將複合材料的使用擴展到多種應用中。由於複合 材料重量輕並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於某些荷載 組件的基礎材料。例如，目前，複合材料被普遍用作交通工具(例如，車輛、水上飛機和飛行 器等)的殼體部分和構架的材料。然而，為了確保複合材料的機械完整性，需要嚴格的檢 查。典型地，需要在製作由複合材料製成的組件時進行檢查，並且在組件的使用壽命期間周 期性地進行檢查。雷射超聲是檢查由複合材料製成的對象的方法的一個例子。該方法包括通過利用 脈衝生成的雷射照射複合材料的一部分來在複合材料的表面上產生超聲振動。探測雷射束 指向振動表面並且被散射、反射，並且相位被表面振動調製從而產生相位調製光。光收集器 接收相位調製雷射並引導該相位調製雷射以便進行處理。典型地，通過耦接至光收集器的 幹涉儀來進行所述處理。可以通過相位調製光處理來確認與複合材料相關的信息，該信息 包括斷裂、脫層和孔隙的探測，以及光纖信息。當前已知的用於分析複合材料目標對象的激 光超聲探測系統具有有限的能量和重複頻率(頻率)。在目標表面上，用於中紅外生成雷射 束的典型的雷射束能量值約為10毫焦(mj)，相應的頻率約為10赫茲(Hz)。

發明內容
在此，公開了一種利用高能量生成雷射束來對目標對象進行超聲測試的方法，包 括產生(X)2雷射束，產生(X)2雷射束的諧波，使CO2雷射束諧波指向目標對象，熱彈性激發 目標對象的表面以在目標對象上產生超聲位移，並且測量該超聲位移。CO2諧波可以是二次 諧波或三次諧波。可以將光纖耦接至CO2雷射束。目標對象上的CO2雷射束諧波能量可以 為至少50毫焦，至少75毫焦，至少100毫焦，或者至少為100Hz。目標對象上的CO2雷射束 諧波頻率可以為至少200Hz、或至少400Hz。CO2雷射束諧波波長可以從約為3微米到約為 4微米，或者約為3. 2微米。在此，還公開了一種超聲檢查系統。在一個實施例中，該系統包括ω2雷射器，諧 波光束生成系統，從(X)2雷射器發射並且CO2雷射束指向諧波光束生成系統的CO2雷射束； 從諧波光束生成系統發射的並指向目標對象的(X)2雷射束的諧波光束。在一個實施例中，諧 波光束使目標對象的一部分熱彈性膨脹，從而在目標表面上產生位移，探測系統還包括指 向位移的探測光束，其中，探測光束被位移相位調製並被反射。諧波生成系統可以是二次諧 波生成器或三次諧波生成器。從(X)2雷射器發射的(X)2雷射束能量可以至少約為4. 5焦耳 或至少約為1焦耳。目標上的諧波雷射束能量可以至少約為50毫焦或至少約為100毫焦。 諧波雷射束波長的範圍可以從約3微米到約4微米，或者可以約為3. 2微米。


已經說明了本發明的一些特徵和優點，結合附圖根據隨後的說明，本發明的其它 特徵和優點將變得明顯。在附圖中圖1是雷射超聲探測系統的示意性表示。圖2是根據本公開的中距紅外超聲雷射源的示意性示圖。圖3是根據本公開的中距紅外超聲雷射源的示意性示圖。儘管將結合優選的實施例說明本發明，但應當理解，這並非意圖將本發明限定於 實施例。相反，意圖涵蓋可由隨附的權利要求書限定的本發明的精神和範圍所包括的所有 改變、變形和等價。
具體實施例方式下面參照示出本發明實施例的附圖更詳細地說明本發明。然而，可以以不同的形 式表現本發明，並且這些形式不應被構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，並且將使本領域技術人員完全知曉本發明的範 圍。文中相同的附圖標記表示相同的原件。為了引用附圖方便，對於參照和圖解說明僅使 用方向術語。例如，使用「上方」、「下方」、「高於」、「低於」等來說明相對位置。應當理解，由於對於本領域技術人員而言，變形和等價是明顯的，因此本發明不限 於所示出並說明的結構、操作、具體材料或實施例的具體細節。在附圖和說明書中，已公開 了本發明的示例性實施例，並且，儘管採用了具體的術語，但其僅在一般意義和說明意義上 使用而並非用於限定的目的。由此，本發明因而僅由隨附的權利要求書的範圍限定。圖1提供了雷射超聲探測系統10的一個實施例的側面斜視圖。探測系統10包括 形成為發射生成光束14並指向檢查目標15的雷射超聲單元12。生成光束14在檢查表面 16上接觸檢查目標15。生成光束14熱彈性膨脹檢查表面16以在檢查表面16上產生相應 的波長位移18。在一個實施例中，生成光束14是配置成在檢查表面16上產生波長位移18 的脈衝雷射。探測光束20還被示出從雷射超聲單元12發出並且示出圍繞生成光束14是 共軸的。儘管從相同的雷射超聲單元12發出，但探測光束和生成光束(14，20)由不同的源 生成。然而，探測光束20可優選地源自不同的單元及不同的位置。眾所周知，探測光束12 包括探測波，該探測波被散射、反射，並且在與波長位移18接觸時被相位調製，以形成相位 調製光21。然後，來自探測光束20的相位調製光21被光收集器23接收並被處理以確定與 檢查目標15有關的信息。可以使生成光束和探測光束(14，20)沿目標15掃描以獲取關於 整個表面16的信息。用於使光束(14，20)掃描的機構(未示出)可以被放置在雷射超聲 單元12中。用於控制所述機構，並且優選地用於處理光收集器所記錄的數據的處理器(未 示出)也可以被放置在雷射超聲單元12中。通過箭頭A1示出光收集器23從雷射超聲單元 12分離並且與雷射超聲單元12通信，然而，光收集器可以與雷射超聲單元12包括在一起。參照圖2，通過示意性的示圖示出中紅外雷射器系統30的一個例子。系統30產生 可被用作圖1中的生成光束14的中紅外光束。中紅外雷射器系統30包括用於形成(X)2激 光束44的(X)2雷射器32。在(X)2雷射器32中示意性地示出可操作地設置在雷射器32中 的鏡子34和輸出耦合器38。腔36提供在鏡子34與輸出耦合器38之間。將能量輸入至結合有可動作地將鏡子和輸出耦合器38的反射表面耦合的(X)2雷射器32，並在兩個反射表面 之間生成光束。衍射光柵42設置在腔36內，並且配置成允許在其中穿過具有特定波長的 光子。因此，腔36中的衍射光柵42在腔36中形成單一波長的光束40。單一光束42的一些光子通過輸出耦合器38從CO2雷射器32逸出從而形成CO2光 束44。圖2的實施例示出設置在CO2雷射束44的路徑中的諧波生成器46。諧波生成器46 將(X)2光束44轉換為諧波以產生通過諧波生成器46的諧波光束48。可選地，示出接收諧 波光束48以產生生成光束14並對生成光束14定向的光纖M。諧波光束48可以是以CO2 光束44為基波波長的二次諧波。可選地，諧波光束48可以是以(X)2光束44的波長為基波 波長的三次諧波或其它諧波。圖3示出中紅外雷射器系統30a的替選實施例，其中，CO2光束44被一個以上的 諧波生成器限制。在圖3中，CO2光束44指向二次諧波生成器47，該二次諧波生成器47將 CO2光束44轉換成二次諧波從而形成二次諧波光束49。二次諧波光束49指向三次諧波生 成器50，該三次諧波生成器50發射具有大致等於以(X)2光束44的波長為基波波長的三次 諧波的波長。圖3的實施例不限於所示的兩個諧波生成器，而是可以包括設置在雷射束路 徑中的另外的諧波生成器。三次諧波光束52還可以用作從雷射超聲源12發射出的圖1中 的生成光束14。三次諧波生成器50能夠通過直接轉換，或者通過能夠轉換基波波長並將基 波波長與二次諧波波長混合從而形成以(X)2雷射束的波長為基波波長的三次諧波，來產生 CO2雷射光束44的三次諧波。在這裡所公開的探測或測試系統的一個實施例中，可以對(X)2雷射束進行諧波處 理以具有在約3微米到約5. 5微米之間的波長。可選地，CO2雷射束可以具有整個中紅外範 圍的波長。可選地，CO2雷射束可以具有從約3微米到約4微米的波長。可選地，CO2雷射 束可以具有約3. 2微米的波長。採用CO2雷射束來形成用於目標對象的超聲位移測試的雷射束的諸多優點之一是 可利用(X)2雷射器的高能量。提高的能量相應地產生具有更大幅度的位移；這提供了更多 的離散測量並為記錄的測試數據提供更高的精度。CO2雷射器產生波長從約9微米延伸到約11微米，並通常具有10. 6微米波長的光 束。當指向將雷射束能量集中在複合材料表面的複合材料時，該波長的雷射束具有相對淺 的光學深度。如果過多的能量被施加在表面上或者允許以延長的時間段使光束對表面進行 作用，則複合材料可能被(X)2雷射損壞。然而，中紅外範圍內，即，從約3微米到約4微米的 雷射束，具有增加的光學深度從而允許更多的雷射能量進入複合材料表面而不會產生表面 燒蝕損壞。因此，利用CO2光束諧波進行複合材料的雷射超聲測試另一優點在於，可以使用 具有與測試表面上較高的幅度位移對應的較高能級的雷射束。CO2雷射器30可以被設計為以各種能量值發射其相應的雷射束44。對於(X)2雷射 器30的設計，可以實現至少1焦耳直至高於約4. 5焦耳的值。此外，CO2雷射器30可以被 配置成使其相應的光束44具有1焦耳和4. 5焦耳之間任意數值的能量值。因此，依賴於諧 波生成器的轉換效率，與目標表面作用的生成光束的能量值可以是當前可用的超聲雷射測 試系統的10毫焦的當前值的很多倍。因此，在此公開的方法和系統可以提供具有如下的在 目標表面作用的值至少約50毫焦，至少約75毫焦，至少約100毫焦以及至少約300毫焦。 此外，生成光束14的頻率可以高於當前可用的10Hz。頻率值可以為至少約100Hz，至少約200Hz，至少約300Hz，至少約400Hz，至少約500Hz以及至少高達約1000Hz。在一個實施例中，諧波生成器06，47，50)可以為晶體並且可以為臨界相位匹配 結構或準相位匹配結構。在一個示例中，晶體可以由如下的化合物製成AgGaS2，AgGaSe2, GaAs, GaSe, ZnGeP2 (ZGP)，AgGal-xlnxSe2, T13AsSe3 (TAS)，CdGeAs2 (CGA)，以及這些化合物 的組合。使用通過(X)2雷射形成的諧波雷射束來進行雷射超聲測試的另一個優點在於在測 試目標對象期間諧波雷射束不容易損壞複合材料表面。此外，可以利用CO2雷射器的高能 量在目標表面內產生更高且更容易測量的位移。又一個優點在於能夠利用光纖光學元件來 耦接(X)2雷射束，從而提高雷射束透射性。因此，在此說明的本發明及其所包括其它內容能夠滿意地解決技術問題並且實現 述及的目的和優點。儘管為了說明的目的給出了本發明當下的優選實施例，但在用於實現 期望的結果的具體過程中，存在多種改變。對於本領域技術人員而言，這些改變和其它類似 的變形是顯見的，並且這些改變和變形意圖包括於在此公開的本發明的精神和隨附權利要 求的範圍內。
權利要求
1.一種使用高能量生成雷射束來對目標對象進行超聲測試的方法，所述方法包括 提供(X)2雷射束；產生(X)2雷射束的諧波； 使(X)2雷射束諧波指向目標對象；熱彈性激發目標對象的表面以在目標對象的表面上產生超聲位移；以及 測量超聲位移。
2.根據權利要求1所述的方法，產生諧波的步驟包括產生(X)2雷射束的二次諧波。
3.根據權利要求1所述的方法，產生諧波的步驟包括產生(X)2雷射束的三次諧波。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括將(X)2雷射束耦合至光纖。
5.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波能量為至少50毫焦。
6.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波能量為至少75毫焦。
7.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波能量為至少100毫焦。
8.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波頻率為至少IOOHz。
9.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波頻率為至少200Hz。
10.根據權利要求1所述的方法，在目標對象處的(X)2雷射束諧波頻率為至少400Hz。
11.根據權利要求1所述的方法，CO2雷射束諧波波長的範圍為從約3微米到約4微米。
12.根據權利要求1所述的方法，CO2雷射束諧波波長約為3.2微米。
13.一種超聲探測系統，包括 CO2雷射器；諧波光束生成系統；CO2雷射束，其從(X)2雷射器發射出並指向諧波光束生成系統；以及 CO2雷射束的諧波光束，其從諧波光束生成系統發射出並指向目標對象。
14.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中諧波光束熱彈性膨脹目標對象的一部 分從而在目標表面上產生位移，探測系統還包括指向位移的探測光束，其中探測光束被位 移相位調製且反射。
15.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中所述諧波生成系統包括二次諧波生成器。
16.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中所述諧波生成系統包括三次諧波生成器。
17.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中從(X)2雷射器發射出的(X)2雷射束能 量為至少約4. 5焦耳。
18.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中從(X)2雷射器發射出的(X)2雷射束能 量為至少約1焦耳。
19.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中在目標處的諧波雷射束能量為至少約 50毫焦。
20.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中在目標處的諧波雷射束能量為至少約 100毫焦。
21.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其中諧波雷射束波長為從約3微米到約4 微米。
22.根據權利要求13所述的超聲探測系統，其特徵在於，諧波雷射束波長約為3. 2微米。
全文摘要
一種用於超聲檢查的中紅外範圍雷射源，包括與一個或多個諧波生成器件耦合的高能雷射器。該高能雷射器可以是CO2雷射器並且被調諧為發射單一波長的雷射。為進行更好的超聲檢查，諧波生成器件將雷射束轉換至中紅外範圍。
文檔編號G01N21/17GK102089643SQ200980126573
公開日2011年6月8日 申請日期2009年5月14日 優先權日2008年5月15日
發明者彼得·W·洛蘭, 託馬斯·E·小德雷克, 約翰·B·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