專利名稱：用于產(chǎn)生超聲波的改進(jìn)的中紅外線激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及無損測試領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生中范圍紅外線 發(fā)生激光束的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
產(chǎn)生復(fù)合材料的新近發(fā)展已將復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)展到多種用途中。由于其高強(qiáng)度 和耐久性以及其低重量，因此復(fù)合物正逐步取代金屬和金屬合金來作為某些承載元件的基 礎(chǔ)材料。例如，目前通常將復(fù)合物用作諸如汽車、船只、和飛機(jī)之類的主體部件和結(jié)構(gòu)的材 料。然而，為了確保復(fù)合機(jī)械完整性，需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。通常需要在制造由復(fù)合物制成 的元件時進(jìn)行檢查以及在元件壽命期間定期地進(jìn)行檢查。激光超聲波為檢查由復(fù)合材料制成的物體的方法的一個實例。該方法包括通過利 用脈沖發(fā)生激光照射復(fù)合物的一部分而在復(fù)合表面上產(chǎn)生超聲波振動。檢測激光束被引導(dǎo) 至振動表面并且通過該表面進(jìn)行散射、反射、和調(diào)相以產(chǎn)生調(diào)相光。光學(xué)收集器接收調(diào)相激 光并且引導(dǎo)其用于進(jìn)行處理。處理通常是利用耦接到光學(xué)采集器的干涉儀來進(jìn)行的?？?從調(diào)相光處理中得知與復(fù)合物相關(guān)的信息，該信息包括檢測到的裂紋、分層、孔隙度、異物 (夾雜物)、脫粘、和纖維信息。圖1提供了用于產(chǎn)生脈沖發(fā)生激光束的激光系統(tǒng)10的一個現(xiàn)有技術(shù)實例。激光 系統(tǒng)10構(gòu)造成產(chǎn)生位于中紅外線范圍內(nèi)的激光并且包括光學(xué)耦接到中紅外線發(fā)射頭30上 的中紅外線激光頭11。中紅外線激光頭11包括通過一對二極管泵浦(16，18)進(jìn)行端面泵 浦的鈥釔鋰氟化物(Th:YLF)。二極管泵浦18的輸出19泵浦Th:YLF激光器20的一端，激 光器20的另一端由二極管泵浦16進(jìn)行泵浦。泵浦二極管16輸出光束(未示出)穿過二 向色混合器M的透射面并且進(jìn)入激光器20的下端。銩激光器的輸出20引導(dǎo)至二向色混 合器M的反射面并且使其朝發(fā)射頭30的方向進(jìn)行反射?？扇芜x的輸入和輸出耦接器01， 25)設(shè)置在銩激光器20相應(yīng)的輸入和輸出上。在此現(xiàn)有技術(shù)實施例中，泵浦二極管(16，18) 以794納米的波長泵浦銩激光器20。銩輸出光束22在大約1. 94微米下操作。發(fā)射頭30具有與變頻器38可操作性地耦接的鈥釔鋁石榴石(HCKYAG)激光器34。 變頻器38示為光學(xué)參量振蕩器(OPO)。HckYAG激光器34接收波長為大約1. 94微米的反 射的激光器輸出沈并且發(fā)射其相應(yīng)的波長為約2. 05微米的輸出光束36。OPO將輸出光束 36轉(zhuǎn)換成信號光束和輸入光束，其中信號光束具有約3. 2微米的波長并且閑頻光束具有約 5. 7微米的波長。激光系統(tǒng)10發(fā)射約五至約十瓦的3到4微米的光，但需要約1千瓦的泵浦二極管 功率。因此，中紅外線激光頭11裝配有相關(guān)的冷卻電路14以及電源12，該電源需要足夠的 容量來支持激光系統(tǒng)10的工作。用于系統(tǒng)10的冷卻能力的增加的功率導(dǎo)致大體積和大質(zhì) 量的激光頭。另外，794納米的泵浦二極管不是通常易于獲得的物品。通常，HCKYAG激光器 輸出為約2. 05微米，其在OPO內(nèi)轉(zhuǎn)換成約3. 2微米的中紅外線激光輸出。在發(fā)射頭30內(nèi) 通常包括Q開關(guān)設(shè)備(未示出)。Q開關(guān)為輸出激光束40提供脈沖，以用于在靶表面上產(chǎn)生熱彈性位移，該熱彈性位移隨后在靶表面上形成超聲波位移。所示的Ho:YAG激光器34 在其輸入端具有輸入耦接器32并且在其輸出端具有輸出耦接器33。示出的0P038具有輸 入和輸出耦接器(35，37)。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了用于超聲波檢測的中紅外線范圍激光系統(tǒng)，其包括具有輸出光束的釔 鋁石榴石(YAG)激光器、可操作性地耦接到Y(jié)AG激光器的泵浦二極管、可操作性地耦接到 YAG激光器輸出光束并且具有輸出光束的光學(xué)變頻器(其中光學(xué)變頻器輸出光束的波長為 約2微米)、以及引導(dǎo)至超聲波檢測靶上的激光系統(tǒng)輸出光束。YAG激光器可為釹釔鋁石榴 石(Nb:YAG)激光器或摻鐿釔鋁石榴石(％:YAG)激光器。光學(xué)變頻器可為光學(xué)參量振蕩器 并且泵浦二極管的光束輸出可具有約808納米的波長。光學(xué)變頻器的輸出光束可為約1. 94 微米。中紅外線范圍激光系統(tǒng)還可包括耦接到光學(xué)變頻器輸出光束的發(fā)射頭，其中發(fā)射頭 包括波長位于中紅外線光譜范圍內(nèi)的輸出光束，并且其中發(fā)射頭輸出光束形成激光系統(tǒng)的 輸出光束。發(fā)射頭輸出光束的波長可為約3. 2微米并且可包括激光器設(shè)備和第二光學(xué)變頻 器，所述激光器設(shè)備進(jìn)行耦接以接收光學(xué)變頻器輸出光束并且所述激光器設(shè)備具有引導(dǎo)至 第二光學(xué)變頻器的輸出。發(fā)射頭的激光器設(shè)備可為鈥釔鋰氟化物激光器或鈥釔鋁石榴石激 光器中的一者。第二光學(xué)變頻器可為光學(xué)參量振蕩器。本文還公開了用于對檢測物體進(jìn)行超聲波分析的系統(tǒng)，其包括利用波長為約808 納米的激光束進(jìn)行泵浦并且具有波長為約2微米的激光頭輸出光束的激光頭、以及構(gòu)造成 接收激光頭輸出光束并且發(fā)射位于中紅外線波長范圍內(nèi)的發(fā)生輸出光束的中紅外線范圍 發(fā)射頭，其中發(fā)生輸出光束被引導(dǎo)至檢測物體，以在檢測物體上產(chǎn)生熱彈性擴(kuò)展并且形成 超聲波位移。發(fā)生輸出光束的波長可為約3. 2微米。激光頭可為具有波長為約1微米的輸 出光束的釹釔鋁石榴石激光器并且可為釹釔鋁石榴石激光器或摻鐿釔鋁石榴石激光器中 的一者。激光頭可包括光學(xué)參量振蕩器，光學(xué)參量振蕩器構(gòu)造成接收釔鋁石榴石激光器的 輸出光束以及發(fā)射形成激光頭輸出光束的轉(zhuǎn)換光束。中紅外線范圍發(fā)射頭具有激光器設(shè)備 和光學(xué)參量振蕩器，所述激光器設(shè)備具有波長為約2. 05微米的激光器輸出光束，所述光學(xué) 參量振蕩器構(gòu)造成接收激光器輸出光束并且發(fā)射轉(zhuǎn)換光束，其中所述轉(zhuǎn)換光束形成發(fā)生輸 出光束ο激光器設(shè)備可為鈥釔鋰氟化物激光器或鈥釔鋁石榴石激光器?？墒褂霉饫w來耦接 泵浦頭和發(fā)射頭。


本發(fā)明的特征和有益方面中的一些已進(jìn)行了陳述，當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行說明時，其他 特征和有益方面將變得顯而易見。圖1為現(xiàn)有技術(shù)的超聲波激光源的示意圖。圖2為根據(jù)本公開的中范圍紅外線激光源的示意圖。圖3為激光超聲波系統(tǒng)的示意圖。盡管本發(fā)明將結(jié)合優(yōu)選實施例進(jìn)行描述，但應(yīng)當(dāng)理解這并不旨在將本發(fā)明限定于 此實施例。相反，其目的在于涵蓋可包括在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的全部替代形式、修改形式、和等同形式。
具體實施例方式現(xiàn)在將在下文中結(jié)合其中示出本發(fā)明的實施例的附圖來更加完整地描述本發(fā)明。 然而本發(fā)明可以多種不同的形式進(jìn)行實施并且不應(yīng)解釋為受限于本文提出的所示實施例； 然而，所提供的這些實施例使得本公開將為完全和完整的，并且將充分地把本發(fā)明的范圍 傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。類似的附圖標(biāo)記在全文中代表類似的元件。為了便于參考附圖， 方向術(shù)語儀用于參考和說明。例如，諸如“上”、“下”、“上方”、“下方”等等之類的方向術(shù)語 用于說明相關(guān)位置。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于所示和所說明的構(gòu)造、操作、精確材料、或?qū)嵤├木?確細(xì)節(jié)，因為修改形式和等同形式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。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雖然使用了特定術(shù)語，但它們儀以一般和描述目 的進(jìn)行使用，并非旨在限制。因此，本發(fā)明的范圍將僅受所附權(quán)利要求范圍的限制?，F(xiàn)在參見圖2，其示出了中紅外線激光系統(tǒng)48的實施例的示意圖。中紅外線激光 系統(tǒng)48包括可任選地通過光纖72耦接到發(fā)射頭74上的中紅外線激光頭50。中紅外線激 光頭50包括釔鋁石榴石(YAG)激光器。YAG激光器可為釹釔鋁石榴石(Nb:YAG)激光器或 摻鐿釔鋁石榴石(％:YAG)激光器中的一者。YAG激光器62在其一端通過得自二極管泵浦 58的泵浦輸出光束60進(jìn)行端而泵浦，YAG激光器62在其相對端接收得自泵浦二極管56的 穿過二向色混合器66的透射面的泵浦輸出光束(未示出)。可任選地將YAG激光器62的 輸出64引導(dǎo)至二向色混合器66的反射面以形成反射輸出光束68。反射輸出光束68形成 光學(xué)變頻器的輸入68，該輸入被引導(dǎo)至光學(xué)變頻器70處。在一個實施例中，光學(xué)變頻器70 包括0P0。所示的YAG激光器62具有可任選的光學(xué)輸入耦接器61以及可任選的光學(xué)輸出 耦接器63，光學(xué)輸出耦接器63設(shè)置在位于YAG激光器62和光學(xué)變頻器70之間的通路中。 所示的輸入耦接器65設(shè)置在光學(xué)變頻器70的輸入端并且相應(yīng)的輸出耦接器67設(shè)置在輸 出端。光學(xué)變頻器70接收YAG激光器62的輸出并且發(fā)射形成發(fā)射頭輸入光束72的轉(zhuǎn) 換光束。如上文所述，光纖可提供光學(xué)變頻器70和發(fā)射頭74之間的導(dǎo)管通路。發(fā)射頭74 包括構(gòu)造成接收發(fā)射頭輸入光束72的鈥激光器76。將得自鈥激光器76的輸出光束77引 導(dǎo)至第二光學(xué)變頻器80。第二光學(xué)變頻器80接收激光器輸出光束77并且發(fā)射形成中紅外 線激光輸出光束82的轉(zhuǎn)換光束。鈥激光器76可為鈥釔鋰氟化物(HckYLF)激光器或鈥釔 鋁石榴石(Ho:YAG)激光器中的一者?？扇芜x的是，第二光學(xué)變頻器80也可包括0P0。示出 的鈥激光器76位于在輸入耦接器78和輸出耦接器79之間形成的腔體內(nèi)。類似地，所示的 第二光學(xué)變頻器70位于輸入耦接器81和輸出耦接器83之間的腔體內(nèi)。在圖2的中紅外線激光系統(tǒng)48的一個實施例中，YAG激光器通過泵浦二極管(56， 58)進(jìn)行泵浦，其中泵浦二極管的波長為808納米。在此實施例中，YAG激光器62發(fā)射約1 微米的輸出激光束64。光學(xué)變頻器70構(gòu)造成將大約1微米的輸出光束64轉(zhuǎn)換成波長為約 1. 94微米的轉(zhuǎn)換光束。在一個實施例中，鈥激光器76進(jìn)一步地將光束波長轉(zhuǎn)換成約2. 05 微米并且第二光學(xué)變頻器80發(fā)射位于約3微米至約4微米的中紅外線范圍內(nèi)的光束。從 第二光學(xué)變頻器發(fā)射出的光束形成中紅外線激光輸出光束82。可任選的是，中紅外線激光輸出光束82為約3. 2微米。更具體地，在另一個實施例中，中紅外線激光輸出光束82包括 波長為約5. 7微米的閑頻光束以及波長為約3. 2微米的信號。圖2中的系統(tǒng)的多個優(yōu)點中的一個為泵浦二極管在可用于YAG激光器62的吸收 譜帶內(nèi)進(jìn)行工作的有效性。與輸出為794納米的泵浦二極管相比，輸出波長為約808納米 的泵浦二極管更加豐富。另外，通過在銩激光器的中紅外線激光頭11上使用YAG激光器 62，降低了中紅外線激光頭50的功率需求。因此，用于冷卻中紅外線激光頭50的相關(guān)冷卻 電路M的尺寸可由于更低的冷卻需要而更小。這進(jìn)一步地降低了從電源52到泵浦二極管 (56,58)所需的功率需求。在一個替代實施例中，YAG激光器62可通過泵浦二極管進(jìn)行側(cè) 面泵浦，從而潛在地提高了系統(tǒng)的功率效率。另外，可利用單個泵浦二極管代替提供于圖2 中的兩個端面泵浦二極管來為YAG激光器62供能。圖3提供了激光超聲波檢測系統(tǒng)85的一個實施例的側(cè)立體圖。檢測系統(tǒng)85包括 激光超聲波單元87，激光超聲波單元87可任選地包括本文所述的中紅外線激光系統(tǒng)48。檢 測系統(tǒng)85發(fā)射引導(dǎo)至檢查靶91處的發(fā)生光束86，其中發(fā)生光束86包括利用中紅外線激 光系統(tǒng)48形成的中紅外線激光輸出光束82。發(fā)生光束86接觸檢查靶91的檢查表面92。 發(fā)生光束86熱彈性地擴(kuò)展檢查表面92，從而在檢查表面92上產(chǎn)生相應(yīng)的位移93。在一個 實施例中，發(fā)生光束86構(gòu)造成用于在檢查表面92上產(chǎn)生位移93的脈沖激光。另外示出的 檢測光束88發(fā)射自激光超聲波單元87并且示出為圍繞發(fā)生光束86共軸。盡管發(fā)射自同 一激光超聲波單元87，但檢測和發(fā)生光束(86，88)是通過不同源產(chǎn)生的。然而，檢測光束 88可任選地源自不同單元以及不同位置。已知的是，檢測光束88包括接觸位移93時進(jìn)行 散射、反射、并且調(diào)相以形成調(diào)相光90的檢測光束。得自檢測光束88的調(diào)相光90隨后由 光學(xué)收集器89接收并且進(jìn)行處理以確定關(guān)于檢查靶91的信息。發(fā)生和檢測光束(86，88) 可橫跨靶91掃描，以獲得關(guān)于整個表面92的信息。用于掃描光束(86，88)的裝置(未示 出)可容納在激光超聲波單元87內(nèi)。用于控制該裝置并且可任選地用于處理由光學(xué)收集 器記錄的數(shù)據(jù)的處理器(未示出)也可容納在激光超聲波單元87內(nèi)。所示的光學(xué)收集器 89與激光超聲波單元87分離并且通過箭頭A與激光超聲波單元87通信，然而光學(xué)采集器 可包括帶有激光超聲波單元87或被包括在激光超聲波單元87內(nèi)。因此本文所述的本發(fā)明非常適于實現(xiàn)目的并且獲得所述的目標(biāo)和優(yōu)點以及其中 內(nèi)在的其他目的和優(yōu)點。盡管為了公開已給出本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施例，但在實現(xiàn)所需結(jié) 果的過程細(xì)節(jié)中存在多種變化。這些以及其他類似的修改形式將易于為本領(lǐng)域技術(shù)人員所 知，并且旨在涵蓋于本文公開的本發(fā)明的精神以及所述權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲波檢測的中紅外線激光系統(tǒng)，包括釔鋁石榴石(YAG)激光器，其具有輸出光束；泵浦二極管，其可操作性地耦接到所述YAG激光器；光學(xué)變頻器，其可操作性地耦接到所述YAG激光器輸出光束并且具有輸出光束，其中 所述光學(xué)變頻器輸出光束的波長為約2微米；中紅外線發(fā)射頭，其耦接到所述光學(xué)變頻器輸出光束；以及得自所述發(fā)射頭的輸出光束，其具有位于所述中紅外線光譜范圍內(nèi)的波長并且被引導(dǎo) 至進(jìn)行超聲波檢測的靶處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述YAG激光器包括選自由釹釔鋁 石榴石(Nb:YAG)激光器和摻鐿釔鋁石榴石(％:YAG)激光器組成的列表中的激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)變頻器包括光學(xué)參量振 蕩器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述泵浦二極管發(fā)射波長為約808 納米的光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)變頻器包括具有約1.94 微米輸出光束的光學(xué)參量振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述中紅外線發(fā)射頭輸出光束的 波長范圍為約3微米至約4微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述中紅外線發(fā)射頭輸出光束的 波長為約3. 2微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述中紅外線發(fā)射頭包括激光器 設(shè)備和第二光學(xué)變頻器，所述激光器設(shè)備耦接成接收所述光學(xué)變頻器輸出光束并且所述激 光器設(shè)備具有引導(dǎo)至所述第二光學(xué)變頻器的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述激光器設(shè)備包括選自由鈥釔 鋰氟化物(Ho:YLF)激光器和鈥釔鋁石榴石(HckYAG)激光器中組成的列表的激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中紅外線激光系統(tǒng)，其中，所述第二光學(xué)變頻器包括光學(xué)參 量振蕩器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外線激光系統(tǒng)，還包括用于泵浦所述YAG激光器的另一泵浦二極管。
12.一種用于對檢測物體進(jìn)行超聲波分析的系統(tǒng)，包括激光頭，其泵浦有波長為約808納米的激光束、并且具有波長為約2微米的激光頭輸出 光束；以及中紅外線發(fā)射頭，其構(gòu)造成接收所述激光頭輸出光束并且發(fā)射位于中紅外線波長范圍 內(nèi)的發(fā)生輸出光束，其中，所述發(fā)生輸出光束被引導(dǎo)至所述檢測物體處，以在所述檢測物體 上產(chǎn)生熱彈性擴(kuò)展并且形成超聲波位移。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)生輸出光束的波長為約3.2微米。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述激光頭包括具有波長為約1微米的輸出光 束的釔鋁石榴石(YAG)激光器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述YAG激光器包括選自由釹釔鋁石榴石(NdiYAG)激光器和摻鐿釔鋁石榴石(％:YAG)激光器組成的列表中的激光器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述激光頭還包括光學(xué)參量振蕩器，所述光學(xué) 參量振蕩器構(gòu)造成接收所述YAG輸出光束并發(fā)射形成所述激光頭輸出光束的轉(zhuǎn)換光束。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述中紅外線范圍發(fā)射頭包括激光器設(shè)備和 光學(xué)參量振蕩器，所述激光器設(shè)備具有波長為約2. 05微米的激光器輸出光束，所述光學(xué)參 量振蕩器構(gòu)造成接收所述激光器輸出光束并且發(fā)射轉(zhuǎn)換光束，其中所述轉(zhuǎn)換光束形成所述 發(fā)生輸出光束。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述激光器設(shè)備選自由鈥釔鋰氟化物 (HoiYLF)激光器和鈥釔鋁石榴石(HckYAG)激光器組成的列表。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括可操作性地耦接所述泵浦頭和所述發(fā)射頭的光纖。
全文摘要
一種用于超聲波檢查的緊湊型高平均功率的中紅外線范圍激光器。所述激光器包括Nd:YAG或Yb:YAG激光器中的一者，其通過二極管以808nm泵浦來產(chǎn)生1微米的輸出光束。將所述1微米的輸出光束引導(dǎo)至光學(xué)參量振蕩器，在此所述光束波長被轉(zhuǎn)換成1.94微米并且傳送至中紅外線發(fā)射頭。所述發(fā)射頭包括與第二光學(xué)參量振蕩器光學(xué)耦接的Ho:YAG或Ho:YLG激光器中的一者。所述第二光學(xué)參量振蕩器形成用于在靶上產(chǎn)生超聲波位移的發(fā)生輸出光束。所述發(fā)生輸出光束的波長在約3微米至約4微米的范圍內(nèi)并且可為3.2微米。
文檔編號G01N29/24GK102077079SQ200980124861
公開日2011年5月25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·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