專利名稱：用CO₂激光器和諧波生成來(lái)產(chǎn)生超聲的改進(jìn)中紅外激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及非破壞性測(cè)試領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及通過(guò)利用二氧化碳 (CO2)激光器并生成(X)2激光器輸出的諧波來(lái)創(chuàng)建中距離紅外生成激光束的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近來(lái)，復(fù)合材料生成上的進(jìn)步已將復(fù)合材料的使用擴(kuò)展到多種應(yīng)用中。由于復(fù)合 材料重量輕并具備好的強(qiáng)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(chē)輛、水上飛機(jī)和飛行 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(jī)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(shí)進(jìn)行檢查，并且在組件的使用壽命期間周 期性地進(jìn)行檢查。激光超聲是檢查由復(fù)合材料制成的對(duì)象的方法的一個(gè)例子。該方法包括通過(guò)利用 脈沖生成的激光照射復(fù)合材料的一部分來(lái)在復(fù)合材料的表面上產(chǎn)生超聲振動(dòng)。探測(cè)激光束 指向振動(dòng)表面并且被散射、反射，并且相位被表面振動(dòng)調(diào)制從而產(chǎn)生相位調(diào)制光。光收集器 接收相位調(diào)制激光并引導(dǎo)該相位調(diào)制激光以便進(jìn)行處理。典型地，通過(guò)耦接至光收集器的 干涉儀來(lái)進(jìn)行所述處理?？梢酝ㄟ^(guò)相位調(diào)制光處理來(lái)確認(rèn)與復(fù)合材料相關(guān)的信息，該信息 包括斷裂、脫層和孔隙的探測(cè)，以及光纖信息。當(dāng)前已知的用于分析復(fù)合材料目標(biāo)對(duì)象的激 光超聲探測(cè)系統(tǒng)具有有限的能量和重復(fù)頻率(頻率)。在目標(biāo)表面上，用于中紅外生成激光 束的典型的激光束能量值約為10毫焦(mj)，相應(yīng)的頻率約為10赫茲(Hz)。

發(fā)明內(nèi)容
在此，公開(kāi)了一種利用高能量生成激光束來(lái)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行超聲測(cè)試的方法，包 括產(chǎn)生(X)2激光束，產(chǎn)生(X)2激光束的諧波，使CO2激光束諧波指向目標(biāo)對(duì)象，熱彈性激發(fā) 目標(biāo)對(duì)象的表面以在目標(biāo)對(duì)象上產(chǎn)生超聲位移，并且測(cè)量該超聲位移。CO2諧波可以是二次 諧波或三次諧波?？梢詫⒐饫w耦接至CO2激光束。目標(biāo)對(duì)象上的CO2激光束諧波能量可以 為至少50毫焦，至少75毫焦，至少100毫焦，或者至少為100Hz。目標(biāo)對(duì)象上的CO2激光束 諧波頻率可以為至少200Hz、或至少400Hz。CO2激光束諧波波長(zhǎng)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(kāi)了一種超聲檢查系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括ω2激光器，諧 波光束生成系統(tǒng)，從(X)2激光器發(fā)射并且CO2激光束指向諧波光束生成系統(tǒng)的CO2激光束； 從諧波光束生成系統(tǒng)發(fā)射的并指向目標(biāo)對(duì)象的(X)2激光束的諧波光束。在一個(gè)實(shí)施例中，諧 波光束使目標(biāo)對(duì)象的一部分熱彈性膨脹，從而在目標(biāo)表面上產(chǎn)生位移，探測(cè)系統(tǒng)還包括指 向位移的探測(cè)光束，其中，探測(cè)光束被位移相位調(diào)制并被反射。諧波生成系統(tǒng)可以是二次諧 波生成器或三次諧波生成器。從(X)2激光器發(fā)射的(X)2激光束能量可以至少約為4. 5焦耳 或至少約為1焦耳。目標(biāo)上的諧波激光束能量可以至少約為50毫焦或至少約為100毫焦。 諧波激光束波長(zhǎng)的范圍可以從約3微米到約4微米，或者可以約為3. 2微米。


已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明的一些特征和優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合附圖根據(jù)隨后的說(shuō)明，本發(fā)明的其它 特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。在附圖中圖1是激光超聲探測(cè)系統(tǒng)的示意性表示。圖2是根據(jù)本公開(kāi)的中距紅外超聲激光源的示意性示圖。圖3是根據(jù)本公開(kāi)的中距紅外超聲激光源的示意性示圖。盡管將結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例說(shuō)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(shí)施例。相反，意圖涵蓋可由隨附的權(quán)利要求書(shū)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(jià)。
具體實(shí)施例方式下面參照示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖更詳細(xì)地說(shuō)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(shuō)明的實(shí)施例；相反，這些實(shí) 施例是為了使本公開(kāi)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(duì)于參照和圖解說(shuō)明僅使 用方向術(shù)語(yǔ)。例如，使用“上方”、“下方”、“高于”、“低于”等來(lái)說(shuō)明相對(duì)位置。應(yīng)當(dāng)理解，由于對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，變形和等價(jià)是明顯的，因此本發(fā)明不限 于所示出并說(shuō)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(shuō)明書(shū)中，已公開(kāi) 了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，并且，盡管采用了具體的術(shù)語(yǔ)，但其僅在一般意義和說(shuō)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(shū)的范圍限定。圖1提供了激光超聲探測(cè)系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面斜視圖。探測(cè)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上接觸檢查目標(biāo)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(chǎn)生相應(yīng) 的波長(zhǎng)位移18。在一個(gè)實(shí)施例中，生成光束14是配置成在檢查表面16上產(chǎn)生波長(zhǎng)位移18 的脈沖激光。探測(cè)光束20還被示出從激光超聲單元12發(fā)出并且示出圍繞生成光束14是 共軸的。盡管從相同的激光超聲單元12發(fā)出，但探測(cè)光束和生成光束(14，20)由不同的源 生成。然而，探測(cè)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，探測(cè)光束12 包括探測(cè)波，該探測(cè)波被散射、反射，并且在與波長(zhǎng)位移18接觸時(shí)被相位調(diào)制，以形成相位 調(diào)制光21。然后，來(lái)自探測(cè)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。可以使生成光束和探測(cè)光束(14，20)沿目標(biāo)15掃描以獲取關(guān)于 整個(gè)表面16的信息。用于使光束(14，20)掃描的機(jī)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(jī)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(guò)箭頭A1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包括在一起。參照?qǐng)D2，通過(guò)示意性的示圖示出中紅外激光器系統(tǒng)30的一個(gè)例子。系統(tǒng)30產(chǎn)生 可被用作圖1中的生成光束14的中紅外光束。中紅外激光器系統(tǒng)30包括用于形成(X)2激 光束44的(X)2激光器32。在(X)2激光器32中示意性地示出可操作地設(shè)置在激光器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(jié)合有可動(dòng)作地將鏡子和輸出耦合器38的反射表面耦合的(X)2激光器32，并在兩個(gè)反射表面 之間生成光束。衍射光柵42設(shè)置在腔36內(nèi)，并且配置成允許在其中穿過(guò)具有特定波長(zhǎng)的 光子。因此，腔36中的衍射光柵42在腔36中形成單一波長(zhǎng)的光束40。單一光束42的一些光子通過(guò)輸出耦合器38從CO2激光器32逸出從而形成CO2光 束44。圖2的實(shí)施例示出設(shè)置在CO2激光束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(zhuǎn)換為諧波以產(chǎn)生通過(guò)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(chǎn)生生成光束14并對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)為基波 波長(zhǎng)的三次諧波或其它諧波。圖3示出中紅外激光器系統(tǒng)30a的替選實(shí)施例，其中，CO2光束44被一個(gè)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(zhuǎn)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(fā)射具有大致等于以(X)2光束44的波長(zhǎng)為基波波長(zhǎng)的三次 諧波的波長(zhǎng)。圖3的實(shí)施例不限于所示的兩個(gè)諧波生成器，而是可以包括設(shè)置在激光束路 徑中的另外的諧波生成器。三次諧波光束52還可以用作從激光超聲源12發(fā)射出的圖1中 的生成光束14。三次諧波生成器50能夠通過(guò)直接轉(zhuǎn)換，或者通過(guò)能夠轉(zhuǎn)換基波波長(zhǎng)并將基 波波長(zhǎng)與二次諧波波長(zhǎng)混合從而形成以(X)2激光束的波長(zhǎng)為基波波長(zhǎng)的三次諧波，來(lái)產(chǎn)生 CO2激光光束44的三次諧波。在這里所公開(kāi)的探測(cè)或測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)(X)2激光束進(jìn)行諧波處 理以具有在約3微米到約5. 5微米之間的波長(zhǎng)?？蛇x地，CO2激光束可以具有整個(gè)中紅外范 圍的波長(zhǎng)?？蛇x地，CO2激光束可以具有從約3微米到約4微米的波長(zhǎng)?？蛇x地，CO2激光 束可以具有約3. 2微米的波長(zhǎng)。采用CO2激光束來(lái)形成用于目標(biāo)對(duì)象的超聲位移測(cè)試的激光束的諸多優(yōu)點(diǎn)之一是 可利用(X)2激光器的高能量。提高的能量相應(yīng)地產(chǎn)生具有更大幅度的位移；這提供了更多 的離散測(cè)量并為記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)提供更高的精度。CO2激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)從約9微米延伸到約11微米，并通常具有10. 6微米波長(zhǎng)的光 束。當(dāng)指向?qū)⒓す馐芰考性趶?fù)合材料表面的復(fù)合材料時(shí)，該波長(zhǎng)的激光束具有相對(duì)淺 的光學(xué)深度。如果過(guò)多的能量被施加在表面上或者允許以延長(zhǎng)的時(shí)間段使光束對(duì)表面進(jìn)行 作用，則復(fù)合材料可能被(X)2激光損壞。然而，中紅外范圍內(nèi)，即，從約3微米到約4微米的 激光束，具有增加的光學(xué)深度從而允許更多的激光能量進(jìn)入復(fù)合材料表面而不會(huì)產(chǎn)生表面 燒蝕損壞。因此，利用CO2光束諧波進(jìn)行復(fù)合材料的激光超聲測(cè)試另一優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用 具有與測(cè)試表面上較高的幅度位移對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)的激光束。CO2激光器30可以被設(shè)計(jì)為以各種能量值發(fā)射其相應(yīng)的激光束44。對(duì)于(X)2激光 器30的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)至少1焦耳直至高于約4. 5焦耳的值。此外，CO2激光器30可以被 配置成使其相應(yīng)的光束44具有1焦耳和4. 5焦耳之間任意數(shù)值的能量值。因此，依賴于諧 波生成器的轉(zhuǎn)換效率，與目標(biāo)表面作用的生成光束的能量值可以是當(dāng)前可用的超聲激光測(cè) 試系統(tǒng)的10毫焦的當(dāng)前值的很多倍。因此，在此公開(kāi)的方法和系統(tǒng)可以提供具有如下的在 目標(biāo)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的頻率可以高于當(dāng)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(dá)約1000Hz。在一個(gè)實(shí)施例中，諧波生成器06，47，50)可以為晶體并且可以為臨界相位匹配 結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)相位匹配結(jié)構(gòu)。在一個(gè)示例中，晶體可以由如下的化合物制成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(guò)(X)2激光形成的諧波激光束來(lái)進(jìn)行激光超聲測(cè)試的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于在測(cè) 試目標(biāo)對(duì)象期間諧波激光束不容易損壞復(fù)合材料表面。此外，可以利用CO2激光器的高能 量在目標(biāo)表面內(nèi)產(chǎn)生更高且更容易測(cè)量的位移。又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用光纖光學(xué)元件來(lái) 耦接(X)2激光束，從而提高激光束透射性。因此，在此說(shuō)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(wèn)題并且實(shí)現(xiàn) 述及的目的和優(yōu)點(diǎn)。盡管為了說(shuō)明的目的給出了本發(fā)明當(dāng)下的優(yōu)選實(shí)施例，但在用于實(shí)現(xiàn) 期望的結(jié)果的具體過(guò)程中，存在多種改變。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這些改變和其它類(lèi)似 的變形是顯見(jiàn)的，并且這些改變和變形意圖包括于在此公開(kāi)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
1.一種使用高能量生成激光束來(lái)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行超聲測(cè)試的方法，所述方法包括 提供(X)2激光束；產(chǎn)生(X)2激光束的諧波； 使(X)2激光束諧波指向目標(biāo)對(duì)象；熱彈性激發(fā)目標(biāo)對(duì)象的表面以在目標(biāo)對(duì)象的表面上產(chǎn)生超聲位移；以及 測(cè)量超聲位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，產(chǎn)生諧波的步驟包括產(chǎn)生(X)2激光束的二次諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，產(chǎn)生諧波的步驟包括產(chǎn)生(X)2激光束的三次諧波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將(X)2激光束耦合至光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波能量為至少50毫焦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波能量為至少75毫焦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波能量為至少100毫焦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波頻率為至少I(mǎi)OOHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波頻率為至少200Hz。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在目標(biāo)對(duì)象處的(X)2激光束諧波頻率為至少400Hz。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，CO2激光束諧波波長(zhǎng)的范圍為從約3微米到約4微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，CO2激光束諧波波長(zhǎng)約為3.2微米。
13.一種超聲探測(cè)系統(tǒng)，包括 CO2激光器；諧波光束生成系統(tǒng)；CO2激光束，其從(X)2激光器發(fā)射出并指向諧波光束生成系統(tǒng)；以及 CO2激光束的諧波光束，其從諧波光束生成系統(tǒng)發(fā)射出并指向目標(biāo)對(duì)象。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中諧波光束熱彈性膨脹目標(biāo)對(duì)象的一部 分從而在目標(biāo)表面上產(chǎn)生位移，探測(cè)系統(tǒng)還包括指向位移的探測(cè)光束，其中探測(cè)光束被位 移相位調(diào)制且反射。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中所述諧波生成系統(tǒng)包括二次諧波生成器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中所述諧波生成系統(tǒng)包括三次諧波生成器。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中從(X)2激光器發(fā)射出的(X)2激光束能 量為至少約4. 5焦耳。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中從(X)2激光器發(fā)射出的(X)2激光束能 量為至少約1焦耳。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中在目標(biāo)處的諧波激光束能量為至少約 50毫焦。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中在目標(biāo)處的諧波激光束能量為至少約 100毫焦。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其中諧波激光束波長(zhǎng)為從約3微米到約4 微米。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，諧波激光束波長(zhǎng)約為3. 2微米。
全文摘要
一種用于超聲檢查的中紅外范圍激光源，包括與一個(gè)或多個(gè)諧波生成器件耦合的高能激光器。該高能激光器可以是CO2激光器并且被調(diào)諧為發(fā)射單一波長(zhǎng)的激光。為進(jìn)行更好的超聲檢查，諧波生成器件將激光束轉(zhuǎn)換至中紅外范圍。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102089643SQ200980126573
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)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·德亞頓, 羅伯特·菲利金斯, 馬克·杜波依斯 申請(qǐng)人:洛伊馬汀公司