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专利名称：用于产生超声波的改进的中红外线激光器的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及无损测试领域。更具体地讲，本发明涉及用于产生中范围红外线 发生激光束的系统。
背景技术：
产生复合材料的新近发展已将复合材料的应用扩展到多种用途中。由于其高强度 和耐久性以及其低重量，因此复合物正逐步取代金属和金属合金来作为某些承载元件的基 础材料。例如，目前通常将复合物用作诸如汽车、船只、和飞机之类的主体部件和结构的材 料。然而，为了确保复合机械完整性，需要进行严格的检查。通常需要在制造由复合物制成 的元件时进行检查以及在元件寿命期间定期地进行检查。激光超声波为检查由复合材料制成的物体的方法的一个实例。该方法包括通过利 用脉冲发生激光照射复合物的一部分而在复合表面上产生超声波振动。检测激光束被引导 至振动表面并且通过该表面进行散射、反射、和调相以产生调相光。光学收集器接收调相激 光并且引导其用于进行处理。处理通常是利用耦接到光学采集器的干涉仪来进行的。可 从调相光处理中得知与复合物相关的信息，该信息包括检测到的裂纹、分层、孔隙度、异物 (夹杂物)、脱粘、和纤维信息。图1提供了用于产生脉冲发生激光束的激光系统10的一个现有技术实例。激光 系统10构造成产生位于中红外线范围内的激光并且包括光学耦接到中红外线发射头30上 的中红外线激光头11。中红外线激光头11包括通过一对二极管泵浦(16，18)进行端面泵 浦的钬钇锂氟化物(Th:YLF)。二极管泵浦18的输出19泵浦Th:YLF激光器20的一端，激 光器20的另一端由二极管泵浦16进行泵浦。泵浦二极管16输出光束(未示出)穿过二 向色混合器M的透射面并且进入激光器20的下端。铥激光器的输出20引导至二向色混 合器M的反射面并且使其朝发射头30的方向进行反射。可任选的输入和输出耦接器01， 25)设置在铥激光器20相应的输入和输出上。在此现有技术实施例中，泵浦二极管(16，18) 以794纳米的波长泵浦铥激光器20。铥输出光束22在大约1. 94微米下操作。发射头30具有与变频器38可操作性地耦接的钬钇铝石榴石(HCKYAG)激光器34。 变频器38示为光学参量振荡器(OPO)。HckYAG激光器34接收波长为大约1. 94微米的反 射的激光器输出沈并且发射其相应的波长为约2. 05微米的输出光束36。OPO将输出光束 36转换成信号光束和输入光束，其中信号光束具有约3. 2微米的波长并且闲频光束具有约 5. 7微米的波长。激光系统10发射约五至约十瓦的3到4微米的光，但需要约1千瓦的泵浦二极管 功率。因此，中红外线激光头11装配有相关的冷却电路14以及电源12，该电源需要足够的 容量来支持激光系统10的工作。用于系统10的冷却能力的增加的功率导致大体积和大质 量的激光头。另外，794纳米的泵浦二极管不是通常易于获得的物品。通常，HCKYAG激光器 输出为约2. 05微米，其在OPO内转换成约3. 2微米的中红外线激光输出。在发射头30内 通常包括Q开关设备(未示出)。Q开关为输出激光束40提供脉冲，以用于在靶表面上产生热弹性位移，该热弹性位移随后在靶表面上形成超声波位移。所示的Ho:YAG激光器34 在其输入端具有输入耦接器32并且在其输出端具有输出耦接器33。示出的0P038具有输 入和输出耦接器(35，37)。

发明内容
本文公开了用于超声波检测的中红外线范围激光系统，其包括具有输出光束的钇 铝石榴石(YAG)激光器、可操作性地耦接到YAG激光器的泵浦二极管、可操作性地耦接到 YAG激光器输出光束并且具有输出光束的光学变频器(其中光学变频器输出光束的波长为 约2微米)、以及引导至超声波检测靶上的激光系统输出光束。YAG激光器可为钕钇铝石榴 石(Nb:YAG)激光器或掺镱钇铝石榴石(％:YAG)激光器。光学变频器可为光学参量振荡器 并且泵浦二极管的光束输出可具有约808纳米的波长。光学变频器的输出光束可为约1. 94 微米。中红外线范围激光系统还可包括耦接到光学变频器输出光束的发射头，其中发射头 包括波长位于中红外线光谱范围内的输出光束，并且其中发射头输出光束形成激光系统的 输出光束。发射头输出光束的波长可为约3. 2微米并且可包括激光器设备和第二光学变频 器，所述激光器设备进行耦接以接收光学变频器输出光束并且所述激光器设备具有引导至 第二光学变频器的输出。发射头的激光器设备可为钬钇锂氟化物激光器或钬钇铝石榴石激 光器中的一者。第二光学变频器可为光学参量振荡器。本文还公开了用于对检测物体进行超声波分析的系统，其包括利用波长为约808 纳米的激光束进行泵浦并且具有波长为约2微米的激光头输出光束的激光头、以及构造成 接收激光头输出光束并且发射位于中红外线波长范围内的发生输出光束的中红外线范围 发射头，其中发生输出光束被引导至检测物体，以在检测物体上产生热弹性扩展并且形成 超声波位移。发生输出光束的波长可为约3. 2微米。激光头可为具有波长为约1微米的输 出光束的钕钇铝石榴石激光器并且可为钕钇铝石榴石激光器或掺镱钇铝石榴石激光器中 的一者。激光头可包括光学参量振荡器，光学参量振荡器构造成接收钇铝石榴石激光器的 输出光束以及发射形成激光头输出光束的转换光束。中红外线范围发射头具有激光器设备 和光学参量振荡器，所述激光器设备具有波长为约2. 05微米的激光器输出光束，所述光学 参量振荡器构造成接收激光器输出光束并且发射转换光束，其中所述转换光束形成发生输 出光束ο激光器设备可为钬钇锂氟化物激光器或钬钇铝石榴石激光器。可使用光纤来耦接 泵浦头和发射头。


本发明的特征和有益方面中的一些已进行了陈述，当结合附图进行说明时，其他 特征和有益方面将变得显而易见。图1为现有技术的超声波激光源的示意图。图2为根据本公开的中范围红外线激光源的示意图。图3为激光超声波系统的示意图。尽管本发明将结合优选实施例进行描述，但应当理解这并不旨在将本发明限定于 此实施例。相反，其目的在于涵盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的全部替代形式、修改形式、和等同形式。
具体实施例方式现在将在下文中结合其中示出本发明的实施例的附图来更加完整地描述本发明。 然而本发明可以多种不同的形式进行实施并且不应解释为受限于本文提出的所示实施例； 然而，所提供的这些实施例使得本公开将为完全和完整的，并且将充分地把本发明的范围 传递给本领域技术人员。类似的附图标记在全文中代表类似的元件。为了便于参考附图， 方向术语仪用于参考和说明。例如，诸如“上”、“下”、“上方”、“下方”等等之类的方向术语 用于说明相关位置。应当理解，本发明并不限于所示和所说明的构造、操作、精确材料、或实施例的精 确细节，因为修改形式和等同形式对于本领域技术人员将是显而易见的。在附图和说明书 中，已公开了本发明的示例性实施例并且虽然使用了特定术语，但它们仪以一般和描述目 的进行使用，并非旨在限制。因此，本发明的范围将仅受所附权利要求范围的限制。现在参见图2，其示出了中红外线激光系统48的实施例的示意图。中红外线激光 系统48包括可任选地通过光纤72耦接到发射头74上的中红外线激光头50。中红外线激 光头50包括钇铝石榴石(YAG)激光器。YAG激光器可为钕钇铝石榴石(Nb:YAG)激光器或 掺镱钇铝石榴石(％:YAG)激光器中的一者。YAG激光器62在其一端通过得自二极管泵浦 58的泵浦输出光束60进行端而泵浦，YAG激光器62在其相对端接收得自泵浦二极管56的 穿过二向色混合器66的透射面的泵浦输出光束(未示出)。可任选地将YAG激光器62的 输出64引导至二向色混合器66的反射面以形成反射输出光束68。反射输出光束68形成 光学变频器的输入68，该输入被引导至光学变频器70处。在一个实施例中，光学变频器70 包括0P0。所示的YAG激光器62具有可任选的光学输入耦接器61以及可任选的光学输出 耦接器63，光学输出耦接器63设置在位于YAG激光器62和光学变频器70之间的通路中。 所示的输入耦接器65设置在光学变频器70的输入端并且相应的输出耦接器67设置在输 出端。光学变频器70接收YAG激光器62的输出并且发射形成发射头输入光束72的转 换光束。如上文所述，光纤可提供光学变频器70和发射头74之间的导管通路。发射头74 包括构造成接收发射头输入光束72的钬激光器76。将得自钬激光器76的输出光束77引 导至第二光学变频器80。第二光学变频器80接收激光器输出光束77并且发射形成中红外 线激光输出光束82的转换光束。钬激光器76可为钬钇锂氟化物(HckYLF)激光器或钬钇 铝石榴石(Ho:YAG)激光器中的一者。可任选的是，第二光学变频器80也可包括0P0。示出 的钬激光器76位于在输入耦接器78和输出耦接器79之间形成的腔体内。类似地，所示的 第二光学变频器70位于输入耦接器81和输出耦接器83之间的腔体内。在图2的中红外线激光系统48的一个实施例中，YAG激光器通过泵浦二极管(56， 58)进行泵浦，其中泵浦二极管的波长为808纳米。在此实施例中，YAG激光器62发射约1 微米的输出激光束64。光学变频器70构造成将大约1微米的输出光束64转换成波长为约 1. 94微米的转换光束。在一个实施例中，钬激光器76进一步地将光束波长转换成约2. 05 微米并且第二光学变频器80发射位于约3微米至约4微米的中红外线范围内的光束。从 第二光学变频器发射出的光束形成中红外线激光输出光束82。可任选的是，中红外线激光输出光束82为约3. 2微米。更具体地，在另一个实施例中，中红外线激光输出光束82包括 波长为约5. 7微米的闲频光束以及波长为约3. 2微米的信号。图2中的系统的多个优点中的一个为泵浦二极管在可用于YAG激光器62的吸收 谱带内进行工作的有效性。与输出为794纳米的泵浦二极管相比，输出波长为约808纳米 的泵浦二极管更加丰富。另外，通过在铥激光器的中红外线激光头11上使用YAG激光器 62，降低了中红外线激光头50的功率需求。因此，用于冷却中红外线激光头50的相关冷却 电路M的尺寸可由于更低的冷却需要而更小。这进一步地降低了从电源52到泵浦二极管 (56,58)所需的功率需求。在一个替代实施例中，YAG激光器62可通过泵浦二极管进行侧 面泵浦，从而潜在地提高了系统的功率效率。另外，可利用单个泵浦二极管代替提供于图2 中的两个端面泵浦二极管来为YAG激光器62供能。图3提供了激光超声波检测系统85的一个实施例的侧立体图。检测系统85包括 激光超声波单元87，激光超声波单元87可任选地包括本文所述的中红外线激光系统48。检 测系统85发射引导至检查靶91处的发生光束86，其中发生光束86包括利用中红外线激 光系统48形成的中红外线激光输出光束82。发生光束86接触检查靶91的检查表面92。 发生光束86热弹性地扩展检查表面92，从而在检查表面92上产生相应的位移93。在一个 实施例中，发生光束86构造成用于在检查表面92上产生位移93的脉冲激光。另外示出的 检测光束88发射自激光超声波单元87并且示出为围绕发生光束86共轴。尽管发射自同 一激光超声波单元87，但检测和发生光束(86，88)是通过不同源产生的。然而，检测光束 88可任选地源自不同单元以及不同位置。已知的是，检测光束88包括接触位移93时进行 散射、反射、并且调相以形成调相光90的检测光束。得自检测光束88的调相光90随后由 光学收集器89接收并且进行处理以确定关于检查靶91的信息。发生和检测光束(86，88) 可横跨靶91扫描，以获得关于整个表面92的信息。用于扫描光束(86，88)的装置(未示 出)可容纳在激光超声波单元87内。用于控制该装置并且可任选地用于处理由光学收集 器记录的数据的处理器(未示出)也可容纳在激光超声波单元87内。所示的光学收集器 89与激光超声波单元87分离并且通过箭头A与激光超声波单元87通信，然而光学采集器 可包括带有激光超声波单元87或被包括在激光超声波单元87内。因此本文所述的本发明非常适于实现目的并且获得所述的目标和优点以及其中 内在的其他目的和优点。尽管为了公开已给出本发明的当前优选实施例，但在实现所需结 果的过程细节中存在多种变化。这些以及其他类似的修改形式将易于为本领域技术人员所 知，并且旨在涵盖于本文公开的本发明的精神以及所述权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于超声波检测的中红外线激光系统，包括钇铝石榴石(YAG)激光器，其具有输出光束；泵浦二极管，其可操作性地耦接到所述YAG激光器；光学变频器，其可操作性地耦接到所述YAG激光器输出光束并且具有输出光束，其中 所述光学变频器输出光束的波长为约2微米；中红外线发射头，其耦接到所述光学变频器输出光束；以及得自所述发射头的输出光束，其具有位于所述中红外线光谱范围内的波长并且被引导 至进行超声波检测的靶处。
2.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述YAG激光器包括选自由钕钇铝 石榴石(Nb:YAG)激光器和掺镱钇铝石榴石(％:YAG)激光器组成的列表中的激光器。
3.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述光学变频器包括光学参量振 荡器。
4.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述泵浦二极管发射波长为约808 纳米的光束。
5.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述光学变频器包括具有约1.94 微米输出光束的光学参量振荡器。
6.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述中红外线发射头输出光束的 波长范围为约3微米至约4微米。
7.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述中红外线发射头输出光束的 波长为约3. 2微米。
8.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，其中，所述中红外线发射头包括激光器 设备和第二光学变频器，所述激光器设备耦接成接收所述光学变频器输出光束并且所述激 光器设备具有引导至所述第二光学变频器的输出。
9.根据权利要求8所述的中红外线激光系统，其中，所述激光器设备包括选自由钬钇 锂氟化物(Ho:YLF)激光器和钬钇铝石榴石(HckYAG)激光器中组成的列表的激光器。
10.根据权利要求8所述的中红外线激光系统，其中，所述第二光学变频器包括光学参 量振荡器。
11.根据权利要求1所述的中红外线激光系统，还包括用于泵浦所述YAG激光器的另一泵浦二极管。
12.一种用于对检测物体进行超声波分析的系统，包括激光头，其泵浦有波长为约808纳米的激光束、并且具有波长为约2微米的激光头输出 光束；以及中红外线发射头，其构造成接收所述激光头输出光束并且发射位于中红外线波长范围 内的发生输出光束，其中，所述发生输出光束被引导至所述检测物体处，以在所述检测物体 上产生热弹性扩展并且形成超声波位移。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述发生输出光束的波长为约3.2微米。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述激光头包括具有波长为约1微米的输出光 束的钇铝石榴石(YAG)激光器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述YAG激光器包括选自由钕钇铝石榴石(NdiYAG)激光器和掺镱钇铝石榴石(％:YAG)激光器组成的列表中的激光器。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述激光头还包括光学参量振荡器，所述光学 参量振荡器构造成接收所述YAG输出光束并发射形成所述激光头输出光束的转换光束。
17.根据权利要求12所述的系统，其中，所述中红外线范围发射头包括激光器设备和 光学参量振荡器，所述激光器设备具有波长为约2. 05微米的激光器输出光束，所述光学参 量振荡器构造成接收所述激光器输出光束并且发射转换光束，其中所述转换光束形成所述 发生输出光束。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述激光器设备选自由钬钇锂氟化物 (HoiYLF)激光器和钬钇铝石榴石(HckYAG)激光器组成的列表。
19.根据权利要求12所述的系统，还包括可操作性地耦接所述泵浦头和所述发射头的光纤。
全文摘要
一种用于超声波检查的紧凑型高平均功率的中红外线范围激光器。所述激光器包括Nd:YAG或Yb:YAG激光器中的一者，其通过二极管以808nm泵浦来产生1微米的输出光束。将所述1微米的输出光束引导至光学参量振荡器，在此所述光束波长被转换成1.94微米并且传送至中红外线发射头。所述发射头包括与第二光学参量振荡器光学耦接的Ho:YAG或Ho:YLG激光器中的一者。所述第二光学参量振荡器形成用于在靶上产生超声波位移的发生输出光束。所述发生输出光束的波长在约3微米至约4微米的范围内并且可为3.2微米。
文档编号G01N29/24GK102077079SQ200980124861
公开日2011年5月25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·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