专利名称：用CO<sub>2</sub>激光器和谐波生成来产生超声的改进中红外激光器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及非破坏性测试领域。更具体地，本发明涉及通过利用二氧化碳 (CO2)激光器并生成(X)2激光器输出的谐波来创建中距离红外生成激光束的系统。
背景技术：
近来，复合材料生成上的进步已将复合材料的使用扩展到多种应用中。由于复合 材料重量轻并具备好的强度和耐用性，因此其正在取代金属和金属合金作为用于某些荷载 组件的基础材料。例如，目前，复合材料被普遍用作交通工具(例如，车辆、水上飞机和飞行 器等)的壳体部分和构架的材料。然而，为了确保复合材料的机械完整性，需要严格的检 查。典型地，需要在制作由复合材料制成的组件时进行检查，并且在组件的使用寿命期间周 期性地进行检查。激光超声是检查由复合材料制成的对象的方法的一个例子。该方法包括通过利用 脉冲生成的激光照射复合材料的一部分来在复合材料的表面上产生超声振动。探测激光束 指向振动表面并且被散射、反射，并且相位被表面振动调制从而产生相位调制光。光收集器 接收相位调制激光并引导该相位调制激光以便进行处理。典型地，通过耦接至光收集器的 干涉仪来进行所述处理。可以通过相位调制光处理来确认与复合材料相关的信息，该信息 包括断裂、脱层和孔隙的探测，以及光纤信息。当前已知的用于分析复合材料目标对象的激 光超声探测系统具有有限的能量和重复频率(频率)。在目标表面上，用于中红外生成激光 束的典型的激光束能量值约为10毫焦(mj)，相应的频率约为10赫兹(Hz)。
发明内容
在此，公开了一种利用高能量生成激光束来对目标对象进行超声测试的方法，包 括产生(X)2激光束，产生(X)2激光束的谐波，使CO2激光束谐波指向目标对象，热弹性激发 目标对象的表面以在目标对象上产生超声位移，并且测量该超声位移。CO2谐波可以是二次 谐波或三次谐波。可以将光纤耦接至CO2激光束。目标对象上的CO2激光束谐波能量可以 为至少50毫焦，至少75毫焦，至少100毫焦，或者至少为100Hz。目标对象上的CO2激光束 谐波频率可以为至少200Hz、或至少400Hz。CO2激光束谐波波长可以从约为3微米到约为 4微米，或者约为3. 2微米。在此，还公开了一种超声检查系统。在一个实施例中，该系统包括ω2激光器，谐 波光束生成系统，从(X)2激光器发射并且CO2激光束指向谐波光束生成系统的CO2激光束； 从谐波光束生成系统发射的并指向目标对象的(X)2激光束的谐波光束。在一个实施例中，谐 波光束使目标对象的一部分热弹性膨胀，从而在目标表面上产生位移，探测系统还包括指 向位移的探测光束，其中，探测光束被位移相位调制并被反射。谐波生成系统可以是二次谐 波生成器或三次谐波生成器。从(X)2激光器发射的(X)2激光束能量可以至少约为4. 5焦耳 或至少约为1焦耳。目标上的谐波激光束能量可以至少约为50毫焦或至少约为100毫焦。 谐波激光束波长的范围可以从约3微米到约4微米，或者可以约为3. 2微米。
已经说明了本发明的一些特征和优点，结合附图根据随后的说明，本发明的其它 特征和优点将变得明显。在附图中图1是激光超声探测系统的示意性表示。图2是根据本公开的中距红外超声激光源的示意性示图。图3是根据本公开的中距红外超声激光源的示意性示图。尽管将结合优选的实施例说明本发明，但应当理解，这并非意图将本发明限定于 实施例。相反，意图涵盖可由随附的权利要求书限定的本发明的精神和范围所包括的所有 改变、变形和等价。
具体实施例方式下面参照示出本发明实施例的附图更详细地说明本发明。然而，可以以不同的形 式表现本发明，并且这些形式不应被构成为限定在此提出的所说明的实施例；相反，这些实 施例是为了使本公开充分且完整而提出的，并且将使本领域技术人员完全知晓本发明的范 围。文中相同的附图标记表示相同的原件。为了引用附图方便，对于参照和图解说明仅使 用方向术语。例如，使用“上方”、“下方”、“高于”、“低于”等来说明相对位置。应当理解，由于对于本领域技术人员而言，变形和等价是明显的，因此本发明不限 于所示出并说明的结构、操作、具体材料或实施例的具体细节。在附图和说明书中，已公开 了本发明的示例性实施例，并且，尽管采用了具体的术语，但其仅在一般意义和说明意义上 使用而并非用于限定的目的。由此，本发明因而仅由随附的权利要求书的范围限定。图1提供了激光超声探测系统10的一个实施例的侧面斜视图。探测系统10包括 形成为发射生成光束14并指向检查目标15的激光超声单元12。生成光束14在检查表面 16上接触检查目标15。生成光束14热弹性膨胀检查表面16以在检查表面16上产生相应 的波长位移18。在一个实施例中，生成光束14是配置成在检查表面16上产生波长位移18 的脉冲激光。探测光束20还被示出从激光超声单元12发出并且示出围绕生成光束14是 共轴的。尽管从相同的激光超声单元12发出，但探测光束和生成光束(14，20)由不同的源 生成。然而，探测光束20可优选地源自不同的单元及不同的位置。众所周知，探测光束12 包括探测波，该探测波被散射、反射，并且在与波长位移18接触时被相位调制，以形成相位 调制光21。然后，来自探测光束20的相位调制光21被光收集器23接收并被处理以确定与 检查目标15有关的信息。可以使生成光束和探测光束(14，20)沿目标15扫描以获取关于 整个表面16的信息。用于使光束(14，20)扫描的机构(未示出)可以被放置在激光超声 单元12中。用于控制所述机构，并且优选地用于处理光收集器所记录的数据的处理器(未 示出)也可以被放置在激光超声单元12中。通过箭头A1示出光收集器23从激光超声单元 12分离并且与激光超声单元12通信，然而，光收集器可以与激光超声单元12包括在一起。参照图2，通过示意性的示图示出中红外激光器系统30的一个例子。系统30产生 可被用作图1中的生成光束14的中红外光束。中红外激光器系统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设置在激光器32中 的镜子34和输出耦合器38。腔36提供在镜子34与输出耦合器38之间。将能量输入至结合有可动作地将镜子和输出耦合器38的反射表面耦合的(X)2激光器32，并在两个反射表面 之间生成光束。衍射光栅42设置在腔36内，并且配置成允许在其中穿过具有特定波长的 光子。因此，腔36中的衍射光栅42在腔36中形成单一波长的光束40。单一光束42的一些光子通过输出耦合器38从CO2激光器32逸出从而形成CO2光 束44。图2的实施例示出设置在CO2激光束44的路径中的谐波生成器46。谐波生成器46 将(X)2光束44转换为谐波以产生通过谐波生成器46的谐波光束48。可选地，示出接收谐 波光束48以产生生成光束14并对生成光束14定向的光纤M。谐波光束48可以是以CO2 光束44为基波波长的二次谐波。可选地，谐波光束48可以是以(X)2光束44的波长为基波 波长的三次谐波或其它谐波。图3示出中红外激光器系统30a的替选实施例，其中，CO2光束44被一个以上的 谐波生成器限制。在图3中，CO2光束44指向二次谐波生成器47，该二次谐波生成器47将 CO2光束44转换成二次谐波从而形成二次谐波光束49。二次谐波光束49指向三次谐波生 成器50，该三次谐波生成器50发射具有大致等于以(X)2光束44的波长为基波波长的三次 谐波的波长。图3的实施例不限于所示的两个谐波生成器，而是可以包括设置在激光束路 径中的另外的谐波生成器。三次谐波光束52还可以用作从激光超声源12发射出的图1中 的生成光束14。三次谐波生成器50能够通过直接转换，或者通过能够转换基波波长并将基 波波长与二次谐波波长混合从而形成以(X)2激光束的波长为基波波长的三次谐波，来产生 CO2激光光束44的三次谐波。在这里所公开的探测或测试系统的一个实施例中，可以对(X)2激光束进行谐波处 理以具有在约3微米到约5. 5微米之间的波长。可选地，CO2激光束可以具有整个中红外范 围的波长。可选地，CO2激光束可以具有从约3微米到约4微米的波长。可选地，CO2激光 束可以具有约3. 2微米的波长。采用CO2激光束来形成用于目标对象的超声位移测试的激光束的诸多优点之一是 可利用(X)2激光器的高能量。提高的能量相应地产生具有更大幅度的位移；这提供了更多 的离散测量并为记录的测试数据提供更高的精度。CO2激光器产生波长从约9微米延伸到约11微米，并通常具有10. 6微米波长的光 束。当指向将激光束能量集中在复合材料表面的复合材料时，该波长的激光束具有相对浅 的光学深度。如果过多的能量被施加在表面上或者允许以延长的时间段使光束对表面进行 作用，则复合材料可能被(X)2激光损坏。然而，中红外范围内，即，从约3微米到约4微米的 激光束，具有增加的光学深度从而允许更多的激光能量进入复合材料表面而不会产生表面 烧蚀损坏。因此，利用CO2光束谐波进行复合材料的激光超声测试另一优点在于，可以使用 具有与测试表面上较高的幅度位移对应的较高能级的激光束。CO2激光器30可以被设计为以各种能量值发射其相应的激光束44。对于(X)2激光 器30的设计，可以实现至少1焦耳直至高于约4. 5焦耳的值。此外，CO2激光器30可以被 配置成使其相应的光束44具有1焦耳和4. 5焦耳之间任意数值的能量值。因此，依赖于谐 波生成器的转换效率，与目标表面作用的生成光束的能量值可以是当前可用的超声激光测 试系统的10毫焦的当前值的很多倍。因此，在此公开的方法和系统可以提供具有如下的在 目标表面作用的值至少约50毫焦，至少约75毫焦，至少约100毫焦以及至少约300毫焦。 此外，生成光束14的频率可以高于当前可用的10Hz。频率值可以为至少约100Hz，至少约200Hz，至少约300Hz，至少约400Hz，至少约500Hz以及至少高达约1000Hz。在一个实施例中，谐波生成器06，47，50)可以为晶体并且可以为临界相位匹配 结构或准相位匹配结构。在一个示例中，晶体可以由如下的化合物制成AgGaS2，AgGaSe2, GaAs, GaSe, ZnGeP2 (ZGP)，AgGal-xlnxSe2, T13AsSe3 (TAS)，CdGeAs2 (CGA)，以及这些化合物 的组合。使用通过(X)2激光形成的谐波激光束来进行激光超声测试的另一个优点在于在测 试目标对象期间谐波激光束不容易损坏复合材料表面。此外，可以利用CO2激光器的高能 量在目标表面内产生更高且更容易测量的位移。又一个优点在于能够利用光纤光学元件来 耦接(X)2激光束，从而提高激光束透射性。因此，在此说明的本发明及其所包括其它内容能够满意地解决技术问题并且实现 述及的目的和优点。尽管为了说明的目的给出了本发明当下的优选实施例，但在用于实现 期望的结果的具体过程中，存在多种改变。对于本领域技术人员而言，这些改变和其它类似 的变形是显见的，并且这些改变和变形意图包括于在此公开的本发明的精神和随附权利要 求的范围内。
权利要求
1.一种使用高能量生成激光束来对目标对象进行超声测试的方法，所述方法包括 提供(X)2激光束；产生(X)2激光束的谐波； 使(X)2激光束谐波指向目标对象；热弹性激发目标对象的表面以在目标对象的表面上产生超声位移；以及 测量超声位移。
2.根据权利要求1所述的方法，产生谐波的步骤包括产生(X)2激光束的二次谐波。
3.根据权利要求1所述的方法，产生谐波的步骤包括产生(X)2激光束的三次谐波。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将(X)2激光束耦合至光纤。
5.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波能量为至少50毫焦。
6.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波能量为至少75毫焦。
7.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波能量为至少100毫焦。
8.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波频率为至少IOOHz。
9.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波频率为至少200Hz。
10.根据权利要求1所述的方法，在目标对象处的(X)2激光束谐波频率为至少400Hz。
11.根据权利要求1所述的方法，CO2激光束谐波波长的范围为从约3微米到约4微米。
12.根据权利要求1所述的方法，CO2激光束谐波波长约为3.2微米。
13.一种超声探测系统，包括 CO2激光器；谐波光束生成系统；CO2激光束，其从(X)2激光器发射出并指向谐波光束生成系统；以及 CO2激光束的谐波光束，其从谐波光束生成系统发射出并指向目标对象。
14.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中谐波光束热弹性膨胀目标对象的一部 分从而在目标表面上产生位移，探测系统还包括指向位移的探测光束，其中探测光束被位 移相位调制且反射。
15.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中所述谐波生成系统包括二次谐波生成器。
16.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中所述谐波生成系统包括三次谐波生成器。
17.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中从(X)2激光器发射出的(X)2激光束能 量为至少约4. 5焦耳。
18.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中从(X)2激光器发射出的(X)2激光束能 量为至少约1焦耳。
19.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中在目标处的谐波激光束能量为至少约 50毫焦。
20.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中在目标处的谐波激光束能量为至少约 100毫焦。
21.根据权利要求13所述的超声探测系统，其中谐波激光束波长为从约3微米到约4 微米。
22.根据权利要求13所述的超声探测系统，其特征在于，谐波激光束波长约为3. 2微米。
全文摘要
一种用于超声检查的中红外范围激光源，包括与一个或多个谐波生成器件耦合的高能激光器。该高能激光器可以是CO2激光器并且被调谐为发射单一波长的激光。为进行更好的超声检查，谐波生成器件将激光束转换至中红外范围。
文档编号G01N21/17GK102089643SQ200980126573
公开日2011年6月8日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月15日
发明者彼得·W·洛兰, 托马斯·E·小德雷克, 约翰·B·德亚顿, 罗伯特·菲利金斯, 马克·杜波依斯 申请人:洛伊马汀公司