專利名稱：用于在激光超聲探傷系統(tǒng)中的探測激光器的前置放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及材料的非破壞性評(píng)估的裝置和方法，尤其涉及用來對(duì)材料實(shí)施非 破壞性評(píng)估的超聲激光探傷系統(tǒng)(ultrasonic laserinspection system)中的探測激光器 (detection laser)。
背景技術(shù)：
近幾年來，在航天、汽車和許多其它的商業(yè)性產(chǎn)業(yè)中，高級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu) (composite structures)的應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的增長。雖然復(fù)合材料(composite material)提供了性能上的顯著改善，但是它們?cè)谥圃爝^程中和在制成品中使用該材料之 后要求嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。具體地說，無損估計(jì)(NDE)方法必須評(píng)估復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完 整性。該評(píng)估檢測內(nèi)含物(inclusion)、分層(delamination)和孔隙(porosity)。常規(guī) NDE方法花費(fèi)的時(shí)間長，勞動(dòng)強(qiáng)度大(labor-intensive)且費(fèi)用昂貴。因此，測試過程反而 會(huì)增加與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有關(guān)的制造成本。 已經(jīng)提出了各種方法和裝置來評(píng)估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性。 一個(gè)解決方案使 用超聲波源在工件(work piece)中產(chǎn)生超聲波表面位移(surface displacement)，然后測 量和分析該位移。通常，超聲波的外源是射向目標(biāo)的脈沖產(chǎn)生激光束。工件的表面散射來 自單獨(dú)的檢測激光器的激光。檢測激光被超聲波位移作相位調(diào)制。注意，相位的調(diào)制作為 時(shí)間的函數(shù)還對(duì)應(yīng)于頻率調(diào)制并且任一種調(diào)制皆可用來描述這里所述的過程。然后收集光
7學(xué)裝置(collection optics)收集散射的激光能量。收集光學(xué)裝置與干涉儀或者其它裝置 耦合。干涉儀解調(diào)超聲波位移信息并且通過分析得到的信號(hào)可以獲得關(guān)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)完整性的數(shù)據(jù)。已經(jīng)證明激光超聲波對(duì)于在制造過程期間的部件探傷(inspection) 是非常有效的。 然而，用于激光超聲波的裝置是定制設(shè)計(jì)的并且目前是與探傷速度有關(guān)的限 制因素。上一代固體探測激光器使用閃光燈-泵浦桿架構(gòu)(flash-lamp pumped rod architecture)或二極管_栗浦平板結(jié)構(gòu)(diode—pumped slab configuration)以放大低 功率主振蕩器激光器。這些結(jié)構(gòu)通常稱為主振蕩器功率放大器(M0PA)激光器。
探傷速度當(dāng)前受制于激光器的脈沖速率，閃光燈泵浦激光器只能工作在100赫 茲，并且該燈通常僅能維持?jǐn)?shù)百萬次的10秒發(fā)射。因此，這些激光器速度慢，并且運(yùn)行費(fèi)用 昂貴。二極管泵浦平板速度快得多(當(dāng)前上限為400赫茲，1000赫茲也有可能)，但它們使 用非常昂貴的定制制造的二極管陣列以脈沖泵浦板，并且產(chǎn)生大量的熱，這可能導(dǎo)致熱失 真。盡管二極管陣列的壽命得到改進(jìn)，有些可以持續(xù)百億(10B)次發(fā)射，但其由于高成本、 可靠性和熱失真，一直以來是一個(gè)問題。晶體板的高功率脈沖二極管泵浦(pulsed-diode pumping)將熱失真引入到板，其最終限制激光束的波形質(zhì)量。波前(wavefront)失真能限 制激光器的有用功率，并阻止束至目標(biāo)的有效的光纖光學(xué)傳輸。陣列中每個(gè)二極管線陣列 (diode bar)可以有40瓦到100瓦的峰值功率，并且為了能有效地泵浦激光板的面，二極管 線陣列必須物理上彼此相互靠近。 一個(gè)陣列中二極管線陣列的總數(shù)可以有50到100個(gè)(一 個(gè)陣列將泵浦板的每個(gè)面，因此可能使用200個(gè)二極管線陣列)。對(duì)于二極管陣列和板，散 熱是重要的設(shè)計(jì)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)基本上解決上述需要及其它的需要的系統(tǒng)和方法。在下面的 說明書和權(quán)利要求書中進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施例。根據(jù)說明書、附圖和權(quán)利要求書，本發(fā) 明實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)和特征會(huì)變得清楚。 本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于光學(xué)探測超聲波的改進(jìn)的激光器。本發(fā)明的實(shí)施例提供 了一種脈沖探測激光器。該脈沖探測激光器包括單頻振蕩器、連續(xù)前置放大器和脈沖放大 器。單頻振蕩器產(chǎn)生種子(seed)激光束并光學(xué)耦合至連續(xù)前置放大器。連續(xù)前置放大器 放大該種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束。光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器的脈沖放大器接收中 間功率激光束并放大該中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束。該脈沖探測激光器的一個(gè) 任務(wù)是照明超聲位移。來自該激光器的光被散射、收集，并通過干涉計(jì)分析以解調(diào)由部件表 面的超聲波回聲導(dǎo)致的超聲位移。 在另一實(shí)施例中，提供了一種產(chǎn)生探測激光束的方法。該方法包括使用主振蕩器 產(chǎn)生種子激光束。然后使用連續(xù)前置放大器和二極管泵浦脈沖激光放大器放大該種子激光 束以產(chǎn)生脈沖探測激光束。 又一實(shí)施例提供了一種可操作探測遠(yuǎn)程目標(biāo)上的超聲表面位移的超聲表面探傷 系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)、如以上所描述的探測激光器、收集光學(xué)裝置和處理器。 超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)在遠(yuǎn)程目標(biāo)上產(chǎn)生超聲表面位移。這可以機(jī)械方式或者使用激光超聲波產(chǎn) 生系統(tǒng)來完成。二極管泵浦探測激光器產(chǎn)生充分地照射遠(yuǎn)程目標(biāo)處的超聲表面位移的探測激光束。收集光學(xué)裝置收集來自二極管泵浦探測光纖激光器的、被遠(yuǎn)程目標(biāo)所反射或散射 的相位調(diào)制光。處理器可以光學(xué)地處理相位調(diào)制光以產(chǎn)生包含表示遠(yuǎn)程目標(biāo)上的超聲表面 位移的數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)。然后，處理器可以處理輸出信號(hào)以評(píng)估遠(yuǎn)程目標(biāo)的結(jié)構(gòu)完整性。
在該發(fā)明的又一實(shí)施例中，提供了大面積復(fù)合探傷系統(tǒng)來測量遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面上 的超聲表面位移以評(píng)估遠(yuǎn)程目標(biāo)的結(jié)構(gòu)完整性。該大面積復(fù)合探傷系統(tǒng)可以包括超聲波產(chǎn) 生系統(tǒng)、脈沖探測激光器、收集光學(xué)裝置、光學(xué)處理器和信號(hào)處理器。超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)在遠(yuǎn) 程目標(biāo)上產(chǎn)生超聲位移。然后探測激光器利用探測激光束照射超聲表面位移。掃描組件產(chǎn) 生探測激光束的照射點(diǎn)與遠(yuǎn)程目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這可以通過以下方式的任意組合來完 成通過重定向探測激光束來掃描該束、移動(dòng)探測激光束或移動(dòng)遠(yuǎn)程目標(biāo)。收集光學(xué)裝置收 集來自被遠(yuǎn)程目標(biāo)上超聲表面位移所反射或散射的探測激光束的相位調(diào)制光。光學(xué)處理器 然后處理收集光學(xué)裝置所收集的相位調(diào)制光以產(chǎn)生輸出信號(hào)。信號(hào)處理器然后處理光學(xué)處 理器的輸出信號(hào)以獲得表示超聲表面位移的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)然后可以用來評(píng)估遠(yuǎn)程目標(biāo)的完 整性。例如，復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。


為能更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖參考以下描述，附圖中，相同的 附圖標(biāo)記表示相同的特征，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用產(chǎn)生激光束和探測激光束以產(chǎn)生和探測激 光超聲位移； 圖2提供了示出激光超聲波系統(tǒng)的基本單元的框圖； 圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)前置放大器產(chǎn)生脈沖探測激光束的脈 沖探測激光器； 圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)光纖激光前置放大器產(chǎn)生脈沖探測激 光束的光纖脈沖探測激光器； 圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)前置放大器產(chǎn)生脈沖探測激光束的脈 沖探測激光器； 圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)板激光前置放大器產(chǎn)生脈沖探測激光 束的脈沖探測激光器； 圖7描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)光纖激光前置放大器和并聯(lián)二極管泵
浦放大器來產(chǎn)生用來探測激光超聲位移的脈沖探測激光束的脈沖探測激光器； 圖8描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用連續(xù)光纖激光前置放大器和并聯(lián)二極管泵
浦放大器來產(chǎn)生可以用來探測激光超聲位移的脈沖探測激光束的全光纖脈沖探測激光器；
以及 圖9提供了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的邏輯流程圖。
具體實(shí)施例方式
說明書附圖中所示為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，相同的標(biāo)記表示各附圖中相同或者相 應(yīng)部分。 本發(fā)明實(shí)施例提供了用于在激光超聲波系統(tǒng)中使用的探測激光器。本發(fā)明實(shí)施例提供了脈沖探測激光器。脈沖探測激光器包括單頻振蕩器、連續(xù)前置放大器和脈沖放大器。 單頻振蕩器產(chǎn)生種子激光束并光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器。連續(xù)前置放大器放大種子激光 以產(chǎn)生中間功率激光束。光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器的脈沖放大器接收中間功率激光束并 放大該中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束。脈沖探測激光器的一個(gè)任務(wù)是照射超聲位 移。來自該激光器的光被散射、收集，然后被干涉計(jì)分析以解調(diào)在該部件表面的超聲波返回 的回波所引起的超聲位移。 這種脈沖探測激光器能通過多種方式構(gòu)造。 一種方法是使用單頻非平面環(huán)形振蕩 器(single-frequency non-planar ring oscillator,NPR0)作為主振蕩器，然后使用通過 兩個(gè)或更多的激光放大器的后繼放大。 上一代的固態(tài)探測激光器使用閃光燈泵浦桿結(jié)構(gòu)或者二極管泵浦板配置來放大 低功率主振蕩器激光。這些配置通常被稱作主振蕩器功率放大器(master oscillator power amplifier, MOPA)激光器。閃光燈泵浦激光器可以大致工作在100赫茲，并且二極 管泵浦板激光器設(shè)計(jì)可以容易地工作在400赫茲，但可以被擴(kuò)展至1000赫茲。典型的脈沖 輪廓可以達(dá)到維持50到100微秒的1000瓦的峰值功率。激光器的脈沖頻率(pulse rate) 是限制激光超聲試驗(yàn)(LaserUT)系統(tǒng)的探傷吞吐量的因素之一。 超聲位移的干涉法檢測需要穩(wěn)定頻率的探測激光束。所需頻率穩(wěn)定性可以利用相 對(duì)較低功率(即，幾毫瓦到1瓦)的激光器達(dá)到。然而，激光超聲波探傷通常需要大約500 到1000瓦的峰值功率。通過對(duì)低功率的單頻激光進(jìn)行放大達(dá)到那些峰值功率。高峰值功 率通過使用短期內(nèi)(即，微秒s))產(chǎn)生所需求的峰值功率的脈沖放大器達(dá)到。放大低功 率單頻激光以產(chǎn)生脈沖探測激光需要顯著的激光增益(laser gain)和幾個(gè)經(jīng)過放大器介 質(zhì)的通路(pass)。高激光增益和經(jīng)過放大器介質(zhì)的重復(fù)的通路會(huì)使該激光束失真。通過應(yīng) 用連續(xù)前置放大器將穩(wěn)定的低功率單頻激光放大至中間功率等級(jí)激光束，在本發(fā)明的實(shí)施 例中減少了脈沖泵浦的功率等級(jí)和在放大媒介中的通路數(shù)量。這種中間功率等級(jí)激光束可 以大約為5到10瓦的量級(jí)。 本發(fā)明實(shí)施方式提供的系統(tǒng)具有更快的探傷速率，改進(jìn)的系統(tǒng)可靠性，更低的運(yùn) 行成本和可以移動(dòng)和可便攜。探測速度目前受限于激光器的脈沖速率。閃光燈泵浦激光器 只能在工作IOO赫茲并且該燈通常僅能維持?jǐn)?shù)百萬次的10秒的發(fā)射。因此，激光器運(yùn)行緩 慢并且運(yùn)行成本昂貴。二極管泵浦板要快得多(當(dāng)前上限為400赫茲并且1000赫茲也有 可能)，但是它們使用非常昂貴的定制制造的二極管陣列來脈沖泵浦(pulse-pump)板。盡 管二極管陣列的壽命已經(jīng)得到提高，有些可以持續(xù)百億(10B)次發(fā)射，但其由于高成本、可 靠性，歷來成為問題。在前置放大器中內(nèi)使用連續(xù)二極管(continuous diode)，減少了放大 器中所需的泵浦二極管的數(shù)量。因此，最終限制激光束的波形質(zhì)量的失真(例如由高功率 脈沖二極管泵浦的晶體板引起的熱失真)可以被減少。波前(wavefront)失真能限制激光 器的有用功率并阻止束到目標(biāo)的有效的光纖光學(xué)傳輸。 二極管陣列中的每個(gè)二極管線陣列可以有40瓦到100瓦的峰值功率并且它們必 須物理上彼此相互靠近以有效地泵浦激光板的面。 一個(gè)陣列中二極管線陣列的總數(shù)可能是 50到100個(gè)( 一個(gè)陣列泵浦板的每個(gè)面，因此可能使用200個(gè)二極管線陣列)。散熱和熱 失真成為二極管線陣列和板兩者的重要的設(shè)計(jì)問題。 在前置放大器中使用小的連續(xù)波(conti皿ous wave, CW) 二極管來放大種子激光有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，使用連續(xù)二極管可以使泵浦二極管的數(shù)量減少。連續(xù)二極管更便宜并且 更可靠。另外，由于與泵浦二極管關(guān)聯(lián)的增益需求少，放大后的最終激光束的傳播特性得到 提高。放大器中泵浦二極管的散熱需求也降低了。 當(dāng)激光級(jí)(即單頻振蕩器、連續(xù)前置放大器和脈沖放大器)至少部分地作為光纖 激光器實(shí)現(xiàn)時(shí)，相比于在傳統(tǒng)的塊晶體增益介質(zhì)中，光纖激光器/放大器的散熱管理更加 容易處理。光纖的表面積(熱排出的地方)與體積之比比板放大器的表面積與體積之比大 許多數(shù)量級(jí)。光纖激光器可以以非常小的波前失真(M2 < 1. 2)在單一模式(single-mode) (TEM00)下工作。由于光纖激光器現(xiàn)在能夠在CW模式或者調(diào)制(脈沖)模式下工作，其速度 限制不是激光的速度，而是超聲波的傳播時(shí)間和掃描(scanning)能力。有效的掃描(scan) 速率可以達(dá)到10kHz或者更高。 圖1描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的探測激光的應(yīng)用。產(chǎn)生和探測激光超聲位移的兩 束進(jìn)入的激光束被導(dǎo)向目標(biāo)的表面。激光束102產(chǎn)生超聲波，同時(shí)，探測激光束104在遠(yuǎn)程 目標(biāo)106(例如但不限于測試下的復(fù)合材料)上探測該超聲波。如圖所示，兩束激光可以同 軸地作用于遠(yuǎn)程目標(biāo)106。產(chǎn)生激光束102引起目標(biāo)106中的熱彈性(thermo-elastic) 膨脹，導(dǎo)致超聲波108的形成。在另一不同實(shí)施例中，產(chǎn)生激光束在目標(biāo)106上引起融 化(ablation)。超聲波108在目標(biāo)106中傳播并調(diào)制探測激光束104以產(chǎn)生相位調(diào)制 (phase-modulated)光110，相位調(diào)制光110被目標(biāo)106表面散射和/或者反射。散射的光 被收集并處理以獲得遠(yuǎn)程目標(biāo)106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。需要理解的是，當(dāng)這里提及相位調(diào)制 時(shí)，它也對(duì)應(yīng)于頻率調(diào)制。這是因?yàn)?，相位調(diào)制的時(shí)間的導(dǎo)數(shù)對(duì)應(yīng)于頻率調(diào)制。由于當(dāng)前文 中的術(shù)語調(diào)制表示作為時(shí)間函數(shù)的變量，因此任何相位調(diào)制也對(duì)應(yīng)于頻率調(diào)制。
圖2提供了用于進(jìn)行超聲激光測試的帶基本部件的框圖。產(chǎn)生激光器210產(chǎn)生通 過光學(xué)組件214導(dǎo)向目標(biāo)216的激光束212。如圖所示，光學(xué)組件214包括使激光束212 和224沿著掃描或者測試平面圖(plan) 218移動(dòng)的掃描器或者其它類似的裝置。掃描或者 測試平面圖218也可以通過目標(biāo)216的移動(dòng)、或者目標(biāo)216與穿過組件214的激光束212、 224的移動(dòng)兩者結(jié)合而形成。光學(xué)組件214可以包括可視相機(jī)(visualcameras)、深度相機(jī) (d印th cameras)、范圍探測器、窄帶相機(jī)或者其它被本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的光學(xué)傳感器。 這些光學(xué)傳感器的每一個(gè)在執(zhí)行探傷之前可能需要校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)可以檢驗(yàn)系統(tǒng)整合由各 種傳感器所收集的信息的能力。產(chǎn)生激光器210在目標(biāo)216中產(chǎn)生超聲波108。
當(dāng)復(fù)合材料吸收產(chǎn)生激光束時(shí)，復(fù)合材料的熱彈性膨脹112導(dǎo)致產(chǎn)生了超聲波 108。遠(yuǎn)程目標(biāo)216，例如可以為但不僅限于復(fù)合材料，容易在沒有融化或者分解的情況下吸 收產(chǎn)生激光束212。由于會(huì)導(dǎo)致融化，不必要選擇使用更高功率產(chǎn)生激光器來克服SNR問 題。在其它實(shí)施例中，依據(jù)被測試的材料，為增加探測到的信號(hào)的SNR，一定的融化是可以 接受的。產(chǎn)生激光束212具有合適的脈沖持續(xù)時(shí)間以引起超聲波表面變形。例如，對(duì)于100 納秒脈沖，橫向激發(fā)大氣壓(transverse-excitedatmospheric， TEA) 二氧化碳激光器可以 產(chǎn)生10. 6微米波長束。激光器的功率必須足夠用來傳遞，例如，O. 25焦耳的脈沖到達(dá)目標(biāo)， 其可能需要在400赫茲脈沖重復(fù)頻率的下工作的IOO瓦的激光器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，產(chǎn)生激光束212在目標(biāo)表面被吸收并產(chǎn)生熱量，并由此導(dǎo)致熱彈性膨脹而沒有明顯的 融化。在本發(fā)明的一個(gè)不同的實(shí)施例中，產(chǎn)生激光束212在目標(biāo)表面被吸收并產(chǎn)生足夠多 熱量而造成融化，這成為超聲波產(chǎn)生的主要機(jī)制。
工作在脈沖模式或連續(xù)波模式下的的照射或探測激光器220不會(huì)引起超聲位移。 例如，可以使用Nd:YAG激光器。這種激光器的功率必須足夠用來傳遞，例如，100毫焦、100 微秒的脈沖，其可能需要1000瓦的激光器。探測激光器220產(chǎn)生探測激光束222。探測激 光器220可以是本發(fā)明的實(shí)施例提供的脈沖探測激光器。這種脈沖探測激光器的各種實(shí)施 例將參考圖3及隨后附圖進(jìn)行討論。探測激光器220包括或光耦合到濾波裝置224以去除 探測激光束224中的噪音。光學(xué)組件214將探測激光束224導(dǎo)向散射和/或反射激光束 224的復(fù)合材料216的表面。得到的相位調(diào)制光被光學(xué)收集裝置226收集。如此圖所示， 散射和/或反射的探測激光光線經(jīng)過光學(xué)組件214往回傳播。可選光學(xué)處理器228和干涉 計(jì)230處理相位調(diào)制的光線以產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)包括表示在復(fù)合材料216表面的超聲位移 的信息。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232協(xié)調(diào)激光超聲波系統(tǒng)的組件的操作。
數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232可以是單個(gè)或者多個(gè)處理設(shè)備。該處理設(shè)備可以是微處 理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、微型計(jì)算機(jī)、中央處理器單元、現(xiàn)場可編程門陣列、可編 程邏輯器件、狀態(tài)機(jī)、邏輯電路、模擬電路、數(shù)字電路和/或者其它任何基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器 中的操作指令來操縱信號(hào)(數(shù)字的或者模擬的)的設(shè)備。存儲(chǔ)器可以為一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ) 器設(shè)備。這樣的存儲(chǔ)器設(shè)備可以是只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、非易失性 存儲(chǔ)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、閃存、緩沖存儲(chǔ)器和/或者其它存儲(chǔ)數(shù)字信息的設(shè)備。存 儲(chǔ)器存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232執(zhí)行對(duì)應(yīng)于至少一些將要闡釋的步驟和/或功能的 可操作指令。 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用作圖2的探測激光器220的脈沖探測激光 器300。脈沖探測激光器300包括單頻振蕩器302、連續(xù)前置放大器304和脈沖放大器306， 單頻振蕩器302產(chǎn)生種子激光束308并光耦合到連續(xù)前置放大器304。作為例證，種子激光 束308的功率大約是2毫瓦至1瓦。連續(xù)前置放大器304放大種子激光束308以產(chǎn)生中間 功率激光束310。在該實(shí)施例和隨后的實(shí)施例中，連續(xù)前置放大器304可以由單放大級(jí)或者 多于一個(gè)放大級(jí)組成。脈沖放大器306光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器304，接收中間功率激光 束310并將其放大以產(chǎn)生脈沖探測激光束312。在該實(shí)施例和隨后的實(shí)施例中，脈沖放大 器306可以是連續(xù)式放大器，該連續(xù)式放大器使它的輸出被調(diào)制以適應(yīng)激光超聲系統(tǒng)的獲 取速率并因此限制由目標(biāo)所吸收的總的探測激光的功率。在某些情況下，連續(xù)前置放大器 304的輸出功率，或者其部分輸出功率可以被改變。當(dāng)目標(biāo)較強(qiáng)地反射探測激光束時(shí)，需要 功率的改變以保護(hù)探測電子器件。這些情況非常有限，因此前置放大器304被認(rèn)為是連續(xù) 的(CW)。作為例證，種子激光束308的功率可以大約為2毫瓦到1瓦；中間功率激光束310 的功率可以大約為10-100瓦cw ;并且脈沖探測激光束312的功率可以大約為500-1000瓦 脈沖。 圖3所示的探測激光器300的實(shí)施例可以使用光纖耦合到二極管泵浦光纖連續(xù)前 置放大器306的主振蕩器302，前置放大器306通過314持續(xù)地運(yùn)行。同樣地，前置放大器 306產(chǎn)生的放大的激光束310也可以經(jīng)由光纖傳輸至脈沖放大器306。脈沖探測激光束312 通過光纖316施加于待要探傷的材料。主振蕩器302可以是具有光纖耦合輸出的二極管泵 浦非平面環(huán)形振蕩器(NPRO)，該輸出使得產(chǎn)生的種子探測激光束308經(jīng)由光纖314提供給 前置放大器304。另一種方法可以使用光纖激光器作為主振蕩器302、以及一個(gè)或者多個(gè)光 纖激光器(例如，二極管泵浦光纖放大器)作為前置放大器304和放大器306來構(gòu)造全光
12纖單頻激光器(all fiber single-frequency laser)。 在該實(shí)施例中，前置放大器304可以是具有光纖耦合輸出的二極管泵浦光纖連續(xù) 前置放大器，其使得中間功率激光束310經(jīng)由光纖提供給放大器306。前置放大器也可以 是二極管或者燈泵浦桿或者板。作為例證，激光材料可以為Nd:YAG、 Yb:YAG、 Nd:YV04等 等，這里只列舉了幾個(gè)。這種材料可以配置用來作為單通道(single-pass)或者多通道 (multi-pass)放大器。放大器306可以是具有光纖耦合輸出的二極管泵浦光纖脈沖放大 器，光纖耦合輸出允許脈沖探測激光束經(jīng)由光纖。 圖4示意了根據(jù)本發(fā)明的僅使用光纖激光器的探測激光器400的第二實(shí)施例。在 該實(shí)施例中，主振蕩器302耦合到兩個(gè)或者更多個(gè)二極管泵浦光纖放大器304和306。如前 所述，主振蕩器302具有至光纖314的光纖耦合輸出。主振蕩器302可以為具有光纖耦合輸 出的二極管泵浦單頻光纖激光器。主振蕩器302產(chǎn)生種子激光308，其經(jīng)由光纖314被傳輸 至二極管泵浦前置放大器304。作為示例，主振蕩器302產(chǎn)生的激光束302可以為2_25毫 瓦的激光。二極管泵浦連續(xù)前置放大器304可以將中間功率激光束310的功率增至10-100 瓦。放大器306進(jìn)一步用來增加脈沖探測激光束的功率至500-1000瓦。將光纖泵浦放大 器306的輸出用316傳輸至要被測試的材料。 圖5示意了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用作探測激光器的脈沖探測激光器500。脈 沖探測激光器500包括單頻振蕩器302、連續(xù)前置放大器304和脈沖放大器306，該實(shí)施例 的運(yùn)行方式與參考圖3所描述的運(yùn)行方式相似。在該實(shí)施例中，圖5中的放大器306不同 于圖3中所描述的放大器在于放大器306可以是具有光纖耦合輸出的固態(tài)脈沖放大器，光 纖耦合輸出允許脈沖探測激光束經(jīng)由光纖傳輸。 圖6示意了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用作探測激光器的脈沖探測激光器600。脈 沖激光器600包括單頻振蕩器302、連續(xù)前置放大器304和脈沖放大器306。該實(shí)施例的運(yùn) 行方式與參考圖3所描述的運(yùn)行方式相似。在該實(shí)施例中，圖6中的前置放大器304和放 大器306不同于圖3所描述的在于前置放大器304可以為二極管泵浦固態(tài)連續(xù)放大器并 且放大器306可以是二極管泵浦固態(tài)脈沖放大器。組件可以被通過所示的自由空間或者通 過光纖光學(xué)耦合。脈沖探測激光束312可以經(jīng)由光纖316傳輸。 由單個(gè)放大器產(chǎn)生的單頻輻射的功率等級(jí)可能受限于被稱做受激布里淵散射 (stimulated Brillouin scattering, SBS)的物理現(xiàn)象。當(dāng)SBS發(fā)生時(shí)，放大器作為鏡面 將輻射反射回至主振蕩器，有可能損壞它并較大程度地限制了輸出功率。通常，光纖和放大 器的光纖都是單一模式的，其典型的直徑小于50微米。發(fā)生SBS的功率閾值與光纖直徑的 平方成比例。對(duì)于光纖放大器的所需光纖直徑，為了在超過SBS的功率閾值的功率等級(jí)產(chǎn) 生單頻輻射，可以使用幾個(gè)并聯(lián)的光纖放大器，每個(gè)放大器產(chǎn)生低于自身的SBS閾值的功
率等級(jí)。所有放大器的輸出光纖通過熔接或者其它技術(shù)組合成更大的多模光纖，其具有的 SBS閾值在并聯(lián)的放大器的組合功率之上。圖7和圖8展示了該方法作為本發(fā)明的兩個(gè)實(shí) 施例。 圖7示意了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可以被用作探測激光器的脈沖探測激光器700 的另一實(shí)施例。脈沖探測激光器700包括單頻振蕩器302、連續(xù)前置放大器304和脈沖放 大器306。該實(shí)施例的運(yùn)行方式與參考圖3所描述的運(yùn)行方式相似。在該實(shí)施方式中，圖7 的放大器306A、306B、306C不同于圖3所示的放大器306。輸出光纖316是大的中心直徑
13光纖，其典型直徑大于50微米，并且第二級(jí)放大器有多個(gè)并聯(lián)的二極管泵浦放大器306A、 306B、306C。這些并聯(lián)二極管泵浦放大器的輸出可以在單個(gè)光纖中結(jié)合。主振蕩器302產(chǎn) 生種子激光束308，該種子激光束308經(jīng)由光纖耦合輸出318被提供給光纖314。在該例的 一個(gè)實(shí)施例中，主振蕩器的302的功率輸出可能需要產(chǎn)生具有功率大約為25毫瓦的激光束 308。作為例證，前置放大器304可以增加該激光束的功率至大約5-10瓦。然后，這三個(gè)并 聯(lián)的二極管泵浦光纖放大器306A、306B、306C每一個(gè)都耦合于前置放大器304的輸出。每 個(gè)二極管泵浦光纖放大器產(chǎn)生低于其自身SBS閾值的功率。這三個(gè)并聯(lián)的二極管泵浦光纖 放大器306A、306B、306C可以明顯增加輸出激光束312的功率。如該例中所示，當(dāng)使用二極 管泵浦光纖放大器的這種配置時(shí)，其多模輸出可以大于1000瓦。 圖8示意了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的探測激光器的又一實(shí)施例。在該例中，主振蕩器 302由二極管泵浦、單頻光纖激光器替代，與NPRO相反。 關(guān)聯(lián)于主振蕩器和光纖放大器的光纖激光器可以為(1)鐿(Ytterbium, Yb)元素 摻雜的光纖，可操作產(chǎn)生大約1000納米波長的輻射；或(2)鉺(Erbium, Er)摻雜的或者共 摻雜的光纖，可操作產(chǎn)生大約1550納米波長的輻射。光纖激光器可以用面包層泵浦，其中， 泵浦二極管通過泵浦光纖耦合到有源光纖(active fiber)。通過有源光纖的面包層或者內(nèi) 部包層，泵浦光纖耦合到該激活光纖。這些泵浦二極管可以包括單個(gè)發(fā)射器、一組單個(gè)發(fā)射 器、二極管線陣列和/或一組二極管線陣列。 通過使用多個(gè)小的連續(xù)波(CW) 二極管來泵浦激光光纖，每個(gè)光纖耦合泵浦二極 管的功率相對(duì)較小(通常僅使用幾瓦)。因此，任何一個(gè)或者部分二極管的失效對(duì)要產(chǎn)生的 激光的整體性能可能影響很小。 通過降低對(duì)最終放大器的要求，散熱問題和激光束312的波形的熱失真將大大減 小。光纖耦合的二極管的散熱可以與增益分離地處理。另外，這些低功率二極管通常使平 均故障間隔時(shí)間(mean time betweenfailure, MTBF)額定值大大增加，其達(dá)到了二極管板 激光器的板達(dá)到的水平。當(dāng)與使用傳統(tǒng)塊晶增益介質(zhì)比較時(shí)，光纖激光類放大器的散熱管 理大大改進(jìn)了。這是由于光纖表面積(光纖散熱的地方)與體積(激光產(chǎn)生或者放大的地 方)之比較之與板放大器關(guān)聯(lián)的塊面積體積比大許多個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，光纖激光器可以以 非常小的波前失真工作在單一模式。由于光纖激光器能夠在CW模式或者相位調(diào)制模式下 運(yùn)行，因此速度限制不是激光速度，而是要被測試材料中的超聲波的傳播時(shí)間和其它用于 掃描經(jīng)過要被測試的部件的探測激光的部件的掃描能力。這使有效的掃描速率達(dá)到lOKHz 或者更高。相比于現(xiàn)有系統(tǒng)的掃描速率，這提供了顯著改進(jìn)。另外，這種靈活的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能 使可移動(dòng)和便攜激光超聲探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。 圖9提供了按照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的邏輯流程圖，其描繪如何在激光超 聲探傷系統(tǒng)里產(chǎn)生探測激光。操作900由步驟902中的產(chǎn)生種子探測激光開始。該種子 探測激光束可以為低功率，即大約為25毫瓦激光束，該激光束可以在各級(jí)(stage)中被放 大。該種子探測激光束可以使用NPRO或單一泵浦單頻光纖激光器產(chǎn)生，或者通過其它已知 的產(chǎn)生種子探測激光的方式產(chǎn)生。在步驟904中，種子激光束可以使用一個(gè)或多個(gè)二極管 泵浦連續(xù)前置放大器放大。這使得中間激光束具有中間功率等級(jí)。在步驟906中，隨后使 用一個(gè)或者多個(gè)二極管泵浦脈沖放大器放大中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光。在之 前描述的實(shí)施例中，采用二極管泵浦光纖激光放大器的各種組合以將探測激光的功率從25毫瓦的種子激光增至1000瓦或1000瓦以上。在步驟908中，探測激光束被傳送至目標(biāo)。
在操作中，當(dāng)測試更復(fù)雜的表面或訪問受限的區(qū)域內(nèi)的表面時(shí)，本發(fā)明允許激光 超聲波測試設(shè)備能在更廣泛的環(huán)境條件中使用。本發(fā)明的實(shí)施例可以使用光纖激光器來產(chǎn) 生探測激光束和可能的產(chǎn)生激光束并傳送至被檢測的遠(yuǎn)程目標(biāo)。這樣做可以使得激光超聲 系統(tǒng)的整體尺寸大大減小。例如，可以使用小得多的機(jī)器人系統(tǒng)取代基于大臺(tái)架的系統(tǒng)來 將產(chǎn)生和探測激光束傳送至被測試目標(biāo)的表面。這使得本發(fā)明的實(shí)施例提供的激光超聲探 傷系統(tǒng)不僅可以用來探傷獨(dú)立的部件，而且可以評(píng)估集成部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的 實(shí)施例提供的激光超聲波系統(tǒng)不僅可以探傷獨(dú)立的部分，而且可以探傷由單獨(dú)的部件構(gòu)成 的組裝結(jié)構(gòu)。這使得在集成部件被構(gòu)建之后進(jìn)行探傷以在該結(jié)果的整個(gè)使用期內(nèi)觀察其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)是否有任何改變。另外，本發(fā)明的實(shí)施例可以提供完全移動(dòng)的系統(tǒng)，其使用光纖激光 器來探測實(shí)地遠(yuǎn)程目標(biāo)上的超聲波位移，而沒有常常與探測激光束的探測的自由空間傳送 相關(guān)聯(lián)的問題。 通過使用鐿摻雜的光纖，光纖激光器能產(chǎn)生波長相似于或者相等于1064納米的 激光發(fā)射，該波長當(dāng)前用于工業(yè)激光超聲波探傷。因此，鐿摻雜的光纖在不需要對(duì)任何光學(xué) 部件和探測器進(jìn)行更換的情況下，可以代替當(dāng)前使用的二極管泵浦或閃光燈泵浦桿或者板 探測激光器。然而，鉺摻雜(Erbium-doped)或者鉺共摻(Erbium-co doped)的光纖能產(chǎn)生 1550納米左右的波長的激光發(fā)射。這個(gè)波長范圍通常被認(rèn)定為對(duì)眼睛是安全的。與IOOO 納米左右的波長相比，當(dāng)使用對(duì)眼睛安全的波長時(shí)，安全性要求顯著降低。如果要在露天現(xiàn) 場或者制造環(huán)境中使用激光超聲波探傷系統(tǒng)，那些降低的安全性要求能轉(zhuǎn)換為資金和運(yùn)行 成本的大幅度減少。 使用工作在1550納米左右波長的探測激光器的另一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)是，有可能充 分發(fā)掘?yàn)殡娦艖?yīng)用而開發(fā)的非常大量的光學(xué)技術(shù)(例如，探測器、調(diào)制器、光纖等)的優(yōu)勢。
可以使用不同的方式來泵浦光纖激光器和光纖放大器。最常用的方式是包層泵 浦，其中該泵浦的輻射被插入光纖激光器或者放大器的包層中。包層泵浦可以從包層端 (端泵浦)或者包層面(面泵浦)完成。面泵浦消除了端泵浦或者同軸泵浦的困難，其中離 軸內(nèi)芯設(shè)計(jì)或扭曲的有源(active)和泵浦光纖設(shè)計(jì)。另外，融合光纖耦合去除了聚焦光學(xué) 裝置和對(duì)齊的需求并且比諸如端或者V型溝槽泵浦等其它設(shè)計(jì)更加健壯。
通過采用單獨(dú)的二極管和包層面泵浦技術(shù)，功率可以通過引入額外的泵浦二極管 按比例放大而對(duì)可靠性不產(chǎn)生不利的影響。單獨(dú)的二極管的壽命比二極管線陣列大好幾個(gè) 數(shù)量級(jí)。另外，單個(gè)發(fā)光器之間彼此相互獨(dú)立，與二極管線陣列相反的是，當(dāng)其中一個(gè)發(fā)光 器失效時(shí)，它不影響任何其它發(fā)光器。最后，單個(gè)發(fā)光器失效時(shí)，由于二極管發(fā)光器數(shù)量巨 大，所以光纖激光器或放大器的整體輸出功率的下降非常小。 總體上，本發(fā)明涉及用于超聲波的光學(xué)探測的改進(jìn)的激光器。本發(fā)明實(shí)施例提供 了脈沖探測激光器。脈沖探測激光器包括單頻振蕩器、連續(xù)前置放大器和脈沖放大器。單 頻振蕩器產(chǎn)生種子激光束并光耦合至連續(xù)前置放大器。連續(xù)前置放大器放大種子激光以產(chǎn) 生中間功率激光束。光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器的脈沖放大器接收中間功率激光束并放大 該中間功率激光束放大以產(chǎn)生脈沖探測激光束。該脈沖探測激光的一個(gè)任務(wù)是照射超聲位 移。來自該激光器的光被散射、收集，并由干涉計(jì)分析以解調(diào)在該部分的表面的超聲波的回 波導(dǎo)致超聲位移。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，文中所用的術(shù)語"基本上"或者"大約地"提供 了相應(yīng)術(shù)語的工業(yè)界可接受的(industry-acc印ted)公差。這種工業(yè)界可接受的公差范圍 為從小于1%到20%并對(duì)應(yīng)于(但并不限于)部件值、集成電路工藝波動(dòng)、溫度波動(dòng)、上升 和下降時(shí)間和/或熱噪音。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步理解的是，文中所用的術(shù)語"可操作地 耦合(operably coupled)"包括直接耦合、經(jīng)由其它部件、元件、電路或模塊的間接耦合，其 中對(duì)于間接耦合的插入式部件(interveningcomponent)、元件、電路或者模塊并不改變信 號(hào)的信息，但可以調(diào)整其電流水平、電壓水平和/或功率級(jí)別。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也應(yīng)理 解的是，推斷的耦合(inferred coupling)(即，某一元件通過推斷耦合至另一元件)包括 兩個(gè)元件之間以與"可操作地耦合"相同的方式的直接的和間接的耦合。本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員應(yīng)進(jìn)一步理解的是，文中所用的術(shù)語"有利地比較(compare favorably)"，表示兩個(gè)或 者更多個(gè)元件、項(xiàng)目、信號(hào)等之間的比較，提供了期望的關(guān)系。例如，當(dāng)期望的關(guān)系是信號(hào)1 比信號(hào)2有更大的幅度時(shí)，當(dāng)信號(hào)1的幅度大于信號(hào)2的幅度時(shí)、或者當(dāng)信號(hào)2的幅度小于 信號(hào)1的幅度時(shí)獲得有利的比較。 盡管對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解的是，在沒有脫離本發(fā)明精神或者所附的 權(quán)利要求所定義的發(fā)明范圍內(nèi)，可以做出各種變化、替換或者改變。
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生脈沖探測激光束的方法，包括以下步驟產(chǎn)生種子激光；使用連續(xù)前置放大器放大所述種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束；以及使用脈沖放大器放大所述中間功率激光束以產(chǎn)生所述脈沖探測激光束。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述脈沖探測激光束被導(dǎo)向遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面； 所述脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的一部分；所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的被照射部分中的超聲表面位移相位調(diào)制所述脈沖探測激光束；光學(xué)裝置收集由被所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面散射或反射的所述探測激光束產(chǎn)生的相位調(diào) 制光；以及處理所述相位調(diào)制光以獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示在所述表面處的所述超聲表面位移和所 述遠(yuǎn)程目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述連續(xù)前置放大器包括 二極管泵浦光纖；二極管泵浦桿激光材料； 二極管泵浦板激光材料； 二極管泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦桿激光材料；或者 燈泵浦板激光材料。
4 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脈沖放大器包括 二極管泵浦光纖；或者 二極管泵浦固態(tài)激光材料。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中， 所述種子激光光纖耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器光纖耦合到脈沖放大器。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述種子激光經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述脈沖放大器。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述種子激光由單頻振蕩器產(chǎn)生。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述單頻振蕩器包括 非平面環(huán)形振蕩器；線性空腔(linear cavity)振蕩器；或者 光纖振蕩器。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述連續(xù)前置放大器包括單通道放大器或者多通道 放大器。
10. —種脈沖探測激光器，包括 可操作地用于產(chǎn)生種子激光束的單頻振蕩器；光學(xué)耦合至所述單頻振蕩器的連續(xù)前置放大器，所述連續(xù)前置放大器運(yùn)行可操作地用 于放大所述種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束；以及光學(xué)耦合至連續(xù)前置放大器的脈沖放大器，所述脈沖放大器可操作地用于放大所述中 間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束。
11. 如權(quán)利要求io所述的脈沖探測激光器，其中所述脈沖探測激光束被導(dǎo)向遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面； 所述脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的一部分；所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的被照射部分中的超聲表面位移相位調(diào)制所述脈沖探測激光束；光學(xué)裝置收集由被所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面散射或反射的所述探測激光束產(chǎn)生的相位調(diào) 制光；以及處理所述相位調(diào)制光以獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示在所述表面處的所述超聲表面位移和所 述遠(yuǎn)程目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)。
12. 如權(quán)利要求10所述的脈沖探測激光器，其中所述連續(xù)前置放大器包括 二極管泵浦光纖；二極管泵浦桿激光材料； 二極管泵浦板激光材料； 二極管泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦桿激光材料；或者 燈泵浦板激光材料。
13. 如權(quán)利要求10所述的脈沖探測激光器，其中所述脈沖放大器包括 二極管泵浦光纖；或者二極管泵浦固態(tài)激光材料。
14. 如權(quán)利要求10所述的脈沖探測激光器，其中， 所述種子激光光纖耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器光纖耦合到脈沖放大器。
15. 如權(quán)利要求10所述的脈沖探測激光器，其中 所述種子激光經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述脈沖放大器。
16. 如權(quán)利要求10所述的脈沖探測激光器，其中所述種子激光由單頻振蕩器產(chǎn)生。
17. 如權(quán)利要求16所述的脈沖探測激光器，其中所述單頻振蕩器包括 非平面環(huán)形振蕩器；線性空腔振蕩器；或者 光纖振蕩器。
18. 如權(quán)利要求IO所述的脈沖探測激光器，其中所述連續(xù)前置放大器包括單通道放大 器或者多通道放大器。
19. 一種產(chǎn)生脈沖探測激光束的方法，所述脈沖探測激光束可操作地用于探測遠(yuǎn)程目 標(biāo)的表面內(nèi)的超聲表面位移，該方法包括使用主振蕩器產(chǎn)生種子激光；使用連續(xù)前置放大器放大所述種子激光以來產(chǎn)生中間功率激光束； 使用脈沖放大器放大所述中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束；并且 其中，所述脈沖探測激光束被導(dǎo)向所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面； 所述脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的一部分；所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的被照射部分中的超聲表面位移相位調(diào)制所述脈沖探測激光 束；光學(xué)裝置收集由被所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面散射或反射的所述探測激光束產(chǎn)生的相位調(diào) 制光；以及處理所述相位調(diào)制光以獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示在所述表面處的所述超聲表面位移和所 述遠(yuǎn)程目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述連續(xù)前置放大器包括 二極管泵浦光纖；二極管泵浦桿激光材料； 二極管泵浦板激光材料； 二極管泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦薄盤激光材料； 燈泵浦桿激光材料；或者 燈泵浦板激光材料。
21. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述脈沖放大器包括 二極管泵浦光纖；或者 二極管泵浦固態(tài)激光材料。
22. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中， 所述種子激光光纖耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器光纖耦合到脈沖放大器。
23. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述種子激光經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器經(jīng)由自由空間光學(xué)耦合到所述脈沖放大器。
24. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述種子激光通過單頻振蕩器產(chǎn)生。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，所述單頻振蕩器包括 非平面環(huán)形振蕩器；線性空腔振蕩器；或者 光纖振蕩器。
26. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述連續(xù)前置放大器包括單通道放大器或者多通 道放大器。
27. 如權(quán)利要求19所述的方法，還包括處理數(shù)據(jù)以評(píng)估所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的結(jié)構(gòu)完整性。
28. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述主振蕩器包括鐿摻雜的光纖，所述鐿摻雜的 光纖可操作地用于產(chǎn)生在大約1000納米波長處的輻射。
29. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述主振蕩器包括鉺摻雜的或者鉺共摻雜的光 纖，所述鉺摻雜的或者鉺共摻雜的光纖可操作地用于產(chǎn)生在大約1550納米波長處的輻射。
30. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述主振蕩器包含具有面包層泵浦的光纖激光 器，其中，泵浦二極管通過泵浦光纖耦合到有源光纖(active fiber)。
31. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述脈沖放大器包括泵浦二極管，所述泵浦二極 管包括單一發(fā)射器、單一發(fā)射器組、二極管線陣列和/或二極管線陣列組。
32. —種脈沖探測激光器，可操作地用于產(chǎn)生脈沖探測激光束以探測遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面 內(nèi)的超聲表面位移，所述脈沖探測激光器包括單頻振蕩器，可操作地用于產(chǎn)生種子激光束；光學(xué)耦合到所述單頻振蕩器的連續(xù)前置放大器，所述連續(xù)前置放大器可操作地用于放 大所述種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束；光學(xué)耦合到所述連續(xù)前置放大器的脈沖放大器，所述脈沖放大器可操作地用于放大所 述中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束；并且其中，所述脈沖探測激光束被導(dǎo)向所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面； 所述脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的一部分；所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的被照射部分中的超聲表面位移散射所述脈沖探測激光束以產(chǎn) 生相位調(diào)制光；處理所述相位調(diào)制光以獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示在所述表面處的所述超聲表面位移和所 述遠(yuǎn)程目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)。
33. 如權(quán)利要求32所述的脈沖探測激光器，其中， 所述種子激光光纖耦合到所述連續(xù)前置放大器；以及 所述連續(xù)前置放大器光纖耦合到所述脈沖放大器。
34. 如權(quán)利要求32所述的脈沖探測激光器，其中， 所述脈沖探測激光束被導(dǎo)向遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面； 所述脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的一部分；所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面的被照射部分中的超聲表面位移相位調(diào)制所述脈沖探測激光束；光學(xué)裝置收集由被所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面散射或反射的所述探測激光束產(chǎn)生的相位調(diào) 制光；以及處理所述相位調(diào)制光以獲得數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示在所述表面的所述超聲表面位移和所述 遠(yuǎn)程目標(biāo)中的結(jié)構(gòu)。
35. 如權(quán)利要求16所述的脈沖探測激光器，其中所述單頻振蕩器包括 非平面環(huán)形振蕩器；線性空腔振蕩器；或者 光纖振蕩器。
36. —種用來測量遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面上的超聲表面位移的大面積復(fù)合材料探傷裝置，包括超聲波產(chǎn)生系統(tǒng)，可操作地用于在所述遠(yuǎn)程目標(biāo)上產(chǎn)生超聲表面位移；探測激光器，可操作地用于使用脈沖探測激光束照射所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面上的超聲表 面位移，其中所述探測激光器包括單頻振蕩器，可操作地用于產(chǎn)生種子激光束；光學(xué)耦合到所述單頻振蕩器的連續(xù)前置放大器，所述連續(xù)前置放大器可操作地用于放 大所述種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束；以及光學(xué)耦合到所述連續(xù)前置放大器的脈沖放大器，可操作地用于放大所述中間功率激光 束以產(chǎn)生脈沖探測激光束；掃描組件，可操作地用于形成所述脈沖探測激光束的照射點(diǎn)與所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面之 間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；收集光學(xué)裝置，用于收集來自由所述遠(yuǎn)程目標(biāo)表面反射或散射的所述脈沖探測激光束 的相位調(diào)制光；光學(xué)處理器，用來處理由所述收集光學(xué)裝置所收集的相位調(diào)制光并產(chǎn)生輸出信號(hào)；以及處理器，可操作地用于處理所述輸出信號(hào)，以獲得表示所述遠(yuǎn)程目標(biāo)的表面上的超聲 表面位移的數(shù)據(jù)。
全文摘要
提供一種脈沖探測激光器，該脈沖探測激光器包括單頻振蕩器、連續(xù)前置放大器和脈沖放大器。單頻振蕩器產(chǎn)生種子激光束并光學(xué)耦合至連續(xù)前置放大器。連續(xù)前置放大器放大該種子激光以產(chǎn)生中間功率激光束。光學(xué)耦合到連續(xù)前置放大器的脈沖放大器接收中間功率激光束并放大該中間功率激光束以產(chǎn)生脈沖探測激光束。該發(fā)明脈沖探測激光器一個(gè)任務(wù)在于照射超聲位移。來自激光器的光被散射、收集，并通過干涉計(jì)分析以解調(diào)由部分表面的超聲波回聲導(dǎo)致的超聲位移。
文檔編號(hào)G01N29/24GK101755203SQ200780052240
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者K·R·姚恩, M·迪布瓦, T·E·小德拉克 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司