CN101755203A - 用于在激光超声探伤系统中的探测激光器的前置放大器 - Google Patents

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Abstract

提供一种脉冲探测激光器，该脉冲探测激光器包括单频振荡器、连续前置放大器和脉冲放大器。单频振荡器产生种子激光束并光学耦合至连续前置放大器。连续前置放大器放大该种子激光以产生中间功率激光束。光学耦合到连续前置放大器的脉冲放大器接收中间功率激光束并放大该中间功率激光束以产生脉冲探测激光束。该发明脉冲探测激光器一个任务在于照射超声位移。来自激光器的光被散射、收集，并通过干涉计分析以解调由部分表面的超声波回声导致的超声位移。

Description

用于在激光超声探伤系统中的探测激光器的前置放大器
相关申请
本申请要求以下专利申请的优先权并出于各种目的以全文引用方式包含在此：2006年12月22日由Thomas E.Drake提交的题为“ARTICULATED ROBOT FOR LASER ULTRASONIC INSPECTION”的美国临时申请NO.60/871,680。
本申请出于各种目的，以全文引用的方式将1998年6月30日提交的美国临时申请NO.60/091,240包含在此。
本申请出于各种目的，以全文引用方式将Thomas E.Drake在1998年6月30申请的题为″METHOD AND APPARATUS FOR DETECTINGULTRASONIC SURFACE DISPLACEMENTS USING POST-COLLECTION OPTICAL AMPLIFICATION″的美国临时申请号60/091,229包含在此。
本申请出于各种目的，以全文引用方式将Thomas E.Drake在2004年1月7日申请的题为″REMOTE LASER BEAM DELIVERY SYSTEMAND METHOD FOR USE WITH A ROBOTIC POSITIONING SYSTEMFOR ULTRASONIC TESTING PURPOSES″的美国专利申请号10/753,208包含在此。
本申请以全文引用方式将Thomas E.Drake在2004年2月12日申请的题为″METHOD AND APPARATUS FOR ULTRASONIC LASERTESTING″的美国专利申请号10/634,342包含在此。
技术领域
本发明一般涉及材料的非破坏性评估的装置和方法，尤其涉及用来对材料实施非破坏性评估的超声激光探伤系统(ultrasonic laserinspection system)中的探测激光器(detection laser)。
背景技术
近几年来，在航天、汽车和许多其它的商业性产业中，高级复合材料结构(composite structures)的应用已经经历了巨大的增长。虽然复合材料(composite material)提供了性能上的显著改善，但是它们在制造过程中和在制成品中使用该材料之后要求严格的质量控制过程。具体地说，无损估计(NDE)方法必须评估复合材料的结构完整性。该评估检测内含物(inclusion)、分层(delamination)和孔隙(porosity)。常规NDE方法花费的时间长，劳动强度大(labor-intensive)且费用昂贵。因此，测试过程反而会增加与复合材料结构有关的制造成本。
已经提出了各种方法和装置来评估复合材料结构的结构完整性。一个解决方案使用超声波源在工件(work piece)中产生超声波表面位移(surface displacement)，然后测量和分析该位移。通常，超声波的外源是射向目标的脉冲产生激光束。工件的表面散射来自单独的检测激光器的激光。检测激光被超声波位移作相位调制。注意，相位的调制作为时间的函数还对应于频率调制并且任一种调制皆可用来描述这里所述的过程。然后收集光学装置(collection optics)收集散射的激光能量。收集光学装置与干涉仪或者其它装置耦合。干涉仪解调超声波位移信息并且通过分析得到的信号可以获得关于复合材料结构的结构完整性的数据。已经证明激光超声波对于在制造过程期间的部件探伤(inspection)是非常有效的。
然而，用于激光超声波的装置是定制设计的并且目前是与探伤速度有关的限制因素。上一代固体探测激光器使用闪光灯-泵浦杆架构(flash-lamp pumped rod architecture)或二极管-泵浦平板结构(diode-pumped slab configuration)以放大低功率主振荡器激光器。这些结构通常称为主振荡器功率放大器(MOPA)激光器。
探伤速度当前受制于激光器的脉冲速率，闪光灯泵浦激光器只能工作在100赫兹，并且该灯通常仅能维持数百万次的10秒发射。因此，这些激光器速度慢，并且运行费用昂贵。二极管泵浦平板速度快得多(当前上限为400赫兹，1000赫兹也有可能)，但它们使用非常昂贵的定制制造的二极管阵列以脉冲泵浦板，并且产生大量的热，这可能导致热失真。尽管二极管阵列的寿命得到改进，有些可以持续百亿(10B)次发射，但其由于高成本、可靠性和热失真，一直以来是一个问题。晶体板的高功率脉冲二极管泵浦(pulsed-diode pumping)将热失真引入到板，其最终限制激光束的波形质量。波前(wavefront)失真能限制激光器的有用功率，并阻止束至目标的有效的光纤光学传输。阵列中每个二极管线阵列(diode bar)可以有40瓦到100瓦的峰值功率，并且为了能有效地泵浦激光板的面，二极管线阵列必须物理上彼此相互靠近。一个阵列中二极管线阵列的总数可以有50到100个(一个阵列将泵浦板的每个面，因此可能使用200个二极管线阵列)。对于二极管阵列和板，散热是重要的设计问题。
发明内容
本发明的实施例针对基本上解决上述需要及其它的需要的系统和方法。在下面的说明书和权利要求书中进一步描述本发明的实施例。根据说明书、附图和权利要求书，本发明实施例的优点和特征会变得清楚。
本发明的实施例涉及用于光学探测超声波的改进的激光器。本发明的实施例提供了一种脉冲探测激光器。该脉冲探测激光器包括单频振荡器、连续前置放大器和脉冲放大器。单频振荡器产生种子(seed)激光束并光学耦合至连续前置放大器。连续前置放大器放大该种子激光以产生中间功率激光束。光学耦合到连续前置放大器的脉冲放大器接收中间功率激光束并放大该中间功率激光束以产生脉冲探测激光束。该脉冲探测激光器的一个任务是照明超声位移。来自该激光器的光被散射、收集，并通过干涉计分析以解调由部件表面的超声波回声导致的超声位移。
在另一实施例中，提供了一种产生探测激光束的方法。该方法包括使用主振荡器产生种子激光束。然后使用连续前置放大器和二极管泵浦脉冲激光放大器放大该种子激光束以产生脉冲探测激光束。
又一实施例提供了一种可操作探测远程目标上的超声表面位移的超声表面探伤系统。该系统包括超声波产生系统、如以上所描述的探测激光器、收集光学装置和处理器。超声波产生系统在远程目标上产生超声表面位移。这可以机械方式或者使用激光超声波产生系统来完成。二极管泵浦探测激光器产生充分地照射远程目标处的超声表面位移的探测激光束。收集光学装置收集来自二极管泵浦探测光纤激光器的、被远程目标所反射或散射的相位调制光。处理器可以光学地处理相位调制光以产生包含表示远程目标上的超声表面位移的数据的输出信号。然后，处理器可以处理输出信号以评估远程目标的结构完整性。
在该发明的又一实施例中，提供了大面积复合探伤系统来测量远程目标的表面上的超声表面位移以评估远程目标的结构完整性。该大面积复合探伤系统可以包括超声波产生系统、脉冲探测激光器、收集光学装置、光学处理器和信号处理器。超声波产生系统在远程目标上产生超声位移。然后探测激光器利用探测激光束照射超声表面位移。扫描组件产生探测激光束的照射点与远程目标之间的相对运动。这可以通过以下方式的任意组合来完成：通过重定向探测激光束来扫描该束、移动探测激光束或移动远程目标。收集光学装置收集来自被远程目标上超声表面位移所反射或散射的探测激光束的相位调制光。光学处理器然后处理收集光学装置所收集的相位调制光以产生输出信号。信号处理器然后处理光学处理器的输出信号以获得表示超声表面位移的数据。该数据然后可以用来评估远程目标的完整性。例如，复合材料的内部结构。
附图说明
为能更全面地理解本发明及其优点，以下结合附图参考以下描述，附图中，相同的附图标记表示相同的特征，其中：
图1示出了根据本发明实施例的使用产生激光束和探测激光束以产生和探测激光超声位移；
图2提供了示出激光超声波系统的基本单元的框图；
图3描绘了根据本发明实施例的使用连续前置放大器产生脉冲探测激光束的脉冲探测激光器；
图4描绘了根据本发明实施例的使用连续光纤激光前置放大器产生脉冲探测激光束的光纤脉冲探测激光器；
图5描绘了根据本发明实施例的使用连续前置放大器产生脉冲探测激光束的脉冲探测激光器；
图6描绘了根据本发明实施例的使用连续板激光前置放大器产生脉冲探测激光束的脉冲探测激光器；
图7描绘了根据本发明实施例的使用连续光纤激光前置放大器和并联二极管泵浦放大器来产生用来探测激光超声位移的脉冲探测激光束的脉冲探测激光器；
图8描绘了根据本发明实施例的使用连续光纤激光前置放大器和并联二极管泵浦放大器来产生可以用来探测激光超声位移的脉冲探测激光束的全光纤脉冲探测激光器；以及
图9提供了根据本发明的一个或者多个实施例的逻辑流程图。
具体实施方式
说明书附图中所示为本发明的优选实施例，相同的标记表示各附图中相同或者相应部分。
本发明实施例提供了用于在激光超声波系统中使用的探测激光器。本发明实施例提供了脉冲探测激光器。脉冲探测激光器包括单频振荡器、连续前置放大器和脉冲放大器。单频振荡器产生种子激光束并光学耦合到连续前置放大器。连续前置放大器放大种子激光以产生中间功率激光束。光学耦合到连续前置放大器的脉冲放大器接收中间功率激光束并放大该中间功率激光束以产生脉冲探测激光束。脉冲探测激光器的一个任务是照射超声位移。来自该激光器的光被散射、收集，然后被干涉计分析以解调在该部件表面的超声波返回的回波所引起的超声位移。
这种脉冲探测激光器能通过多种方式构造。一种方法是使用单频非平面环形振荡器(single-frequency non-planar ring oscillator，NPRO)作为主振荡器，然后使用通过两个或更多的激光放大器的后继放大。
上一代的固态探测激光器使用闪光灯泵浦杆结构或者二极管泵浦板配置来放大低功率主振荡器激光。这些配置通常被称作主振荡器功率放大器(master oscillator power amplifier，MOPA)激光器。闪光灯泵浦激光器可以大致工作在100赫兹，并且二极管泵浦板激光器设计可以容易地工作在400赫兹，但可以被扩展至1000赫兹。典型的脉冲轮廓可以达到维持50到100微秒的1000瓦的峰值功率。激光器的脉冲频率(pulse rate)是限制激光超声试验(LaserUT)系统的探伤吞吐量的因素之一。
超声位移的干涉法检测需要稳定频率的探测激光束。所需频率稳定性可以利用相对较低功率(即，几毫瓦到1瓦)的激光器达到。然而，激光超声波探伤通常需要大约500到1000瓦的峰值功率。通过对低功率的单频激光进行放大达到那些峰值功率。高峰值功率通过使用短期内(即，微秒(μs))产生所需求的峰值功率的脉冲放大器达到。放大低功率单频激光以产生脉冲探测激光需要显著的激光增益(laser gain)和几个经过放大器介质的通路(pass)。高激光增益和经过放大器介质的重复的通路会使该激光束失真。通过应用连续前置放大器将稳定的低功率单频激光放大至中间功率等级激光束，在本发明的实施例中减少了脉冲泵浦的功率等级和在放大媒介中的通路数量。这种中间功率等级激光束可以大约为5到10瓦的量级。
本发明实施方式提供的系统具有更快的探伤速率，改进的系统可靠性，更低的运行成本和可以移动和可便携。探测速度目前受限于激光器的脉冲速率。闪光灯泵浦激光器只能在工作100赫兹并且该灯通常仅能维持数百万次的10秒的发射。因此，激光器运行缓慢并且运行成本昂贵。二极管泵浦板要快得多(当前上限为400赫兹并且1000赫兹也有可能)，但是它们使用非常昂贵的定制制造的二极管阵列来脉冲泵浦(pulse-pump)板。尽管二极管阵列的寿命已经得到提高，有些可以持续百亿(10B)次发射，但其由于高成本、可靠性，历来成为问题。在前置放大器中内使用连续二极管(continuous diode)，减少了放大器中所需的泵浦二极管的数量。因此，最终限制激光束的波形质量的失真(例如由高功率脉冲二极管泵浦的晶体板引起的热失真)可以被减少。波前(wavefront)失真能限制激光器的有用功率并阻止束到目标的有效的光纤光学传输。
二极管阵列中的每个二极管线阵列可以有40瓦到100瓦的峰值功率并且它们必须物理上彼此相互靠近以有效地泵浦激光板的面。一个阵列中二极管线阵列的总数可能是50到100个(一个阵列泵浦板的每个面，因此可能使用200个二极管线阵列)。散热和热失真成为二极管线阵列和板两者的重要的设计问题。
在前置放大器中使用小的连续波(continuous wave，CW)二极管来放大种子激光有几个优点，首先，使用连续二极管可以使泵浦二极管的数量减少。连续二极管更便宜并且更可靠。另外，由于与泵浦二极管关联的增益需求少，放大后的最终激光束的传播特性得到提高。放大器中泵浦二极管的散热需求也降低了。
当激光级(即单频振荡器、连续前置放大器和脉冲放大器)至少部分地作为光纤激光器实现时，相比于在传统的块晶体增益介质中，光纤激光器/放大器的散热管理更加容易处理。光纤的表面积(热排出的地方)与体积之比比板放大器的表面积与体积之比大许多数量级。光纤激光器可以以非常小的波前失真(M2＜1.2)在单一模式(single-mode)(TEM00)下工作。由于光纤激光器现在能够在CW模式或者调制(脉冲)模式下工作，其速度限制不是激光的速度，而是超声波的传播时间和扫描(scanning)能力。有效的扫描(scan)速率可以达到10kHz或者更高。
图1描述了根据本发明实施例的探测激光的应用。产生和探测激光超声位移的两束进入的激光束被导向目标的表面。激光束102产生超声波，同时，探测激光束104在远程目标106(例如但不限于测试下的复合材料)上探测该超声波。如图所示，两束激光可以同轴地作用于远程目标106。产生激光束102引起目标106中的热弹性(thermo-elastic)膨胀，导致超声波108的形成。在另一不同实施例中，产生激光束在目标106上引起融化(ablation)。超声波108在目标106中传播并调制探测激光束104以产生相位调制(phase-modulated)光110，相位调制光110被目标106表面散射和/或者反射。散射的光被收集并处理以获得远程目标106的内部结构信息。需要理解的是，当这里提及相位调制时，它也对应于频率调制。这是因为，相位调制的时间的导数对应于频率调制。由于当前文中的术语调制表示作为时间函数的变量，因此任何相位调制也对应于频率调制。
图2提供了用于进行超声激光测试的带基本部件的框图。产生激光器210产生通过光学组件214导向目标216的激光束212。如图所示，光学组件214包括使激光束212和224沿着扫描或者测试平面图(plan)218移动的扫描器或者其它类似的装置。扫描或者测试平面图218也可以通过目标216的移动、或者目标216与穿过组件214的激光束212、224的移动两者结合而形成。光学组件214可以包括可视相机(visualcameras)、深度相机(depth cameras)、范围探测器、窄带相机或者其它被本领域技术人员所知的光学传感器。这些光学传感器的每一个在执行探伤之前可能需要校准。这种校准可以检验系统整合由各种传感器所收集的信息的能力。产生激光器210在目标216中产生超声波108。
当复合材料吸收产生激光束时，复合材料的热弹性膨胀112导致产生了超声波108。远程目标216，例如可以为但不仅限于复合材料，容易在没有融化或者分解的情况下吸收产生激光束212。由于会导致融化，不必要选择使用更高功率产生激光器来克服SNR问题。在其它实施例中，依据被测试的材料，为增加探测到的信号的SNR，一定的融化是可以接受的。产生激光束212具有合适的脉冲持续时间以引起超声波表面变形。例如，对于100纳秒脉冲，横向激发大气压(transverse-excitedatmospheric，TEA)二氧化碳激光器可以产生10.6微米波长束。激光器的功率必须足够用来传递，例如，0.25焦耳的脉冲到达目标，其可能需要在400赫兹脉冲重复频率的下工作的100瓦的激光器。在本发明的一个实施例中，产生激光束212在目标表面被吸收并产生热量，并由此导致热弹性膨胀而没有明显的融化。在本发明的一个不同的实施例中，产生激光束212在目标表面被吸收并产生足够多热量而造成融化，这成为超声波产生的主要机制。
工作在脉冲模式或连续波模式下的的照射或探测激光器220不会引起超声位移。例如，可以使用Nd:YAG激光器。这种激光器的功率必须足够用来传递，例如，100毫焦、100微秒的脉冲，其可能需要1000瓦的激光器。探测激光器220产生探测激光束222。探测激光器220可以是本发明的实施例提供的脉冲探测激光器。这种脉冲探测激光器的各种实施例将参考图3及随后附图进行讨论。探测激光器220包括或光耦合到滤波装置224以去除探测激光束224中的噪音。光学组件214将探测激光束224导向散射和/或反射激光束224的复合材料216的表面。得到的相位调制光被光学收集装置226收集。如此图所示，散射和/或反射的探测激光光线经过光学组件214往回传播。可选光学处理器228和干涉计230处理相位调制的光线以产生信号，该信号包括表示在复合材料216表面的超声位移的信息。数据处理和控制系统232协调激光超声波系统的组件的操作。
数据处理和控制系统232可以是单个或者多个处理设备。该处理设备可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理器单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或者其它任何基于存储在存储器中的操作指令来操纵信号(数字的或者模拟的)的设备。存储器可以为一个或者多个存储器设备。这样的存储器设备可以是只读存储器、随机访问存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、缓冲存储器和/或者其它存储数字信息的设备。存储器存储以及数据处理和控制系统232执行对应于至少一些将要阐释的步骤和/或功能的可操作指令。
图3示出了根据本发明实施例的可以用作图2的探测激光器220的脉冲探测激光器300。脉冲探测激光器300包括单频振荡器302、连续前置放大器304和脉冲放大器306，单频振荡器302产生种子激光束308并光耦合到连续前置放大器304。作为例证，种子激光束308的功率大约是2毫瓦至1瓦。连续前置放大器304放大种子激光束308以产生中间功率激光束310。在该实施例和随后的实施例中，连续前置放大器304可以由单放大级或者多于一个放大级组成。脉冲放大器306光学耦合到连续前置放大器304，接收中间功率激光束310并将其放大以产生脉冲探测激光束312。在该实施例和随后的实施例中，脉冲放大器306可以是连续式放大器，该连续式放大器使它的输出被调制以适应激光超声系统的获取速率并因此限制由目标所吸收的总的探测激光的功率。在某些情况下，连续前置放大器304的输出功率，或者其部分输出功率可以被改变。当目标较强地反射探测激光束时，需要功率的改变以保护探测电子器件。这些情况非常有限，因此前置放大器304被认为是连续的(CW)。作为例证，种子激光束308的功率可以大约为2毫瓦到1瓦；中间功率激光束310的功率可以大约为10-100瓦cw；并且脉冲探测激光束312的功率可以大约为500-1000瓦脉冲。
图3所示的探测激光器300的实施例可以使用光纤耦合到二极管泵浦光纤连续前置放大器306的主振荡器302，前置放大器306通过314持续地运行。同样地，前置放大器306产生的放大的激光束310也可以经由光纤传输至脉冲放大器306。脉冲探测激光束312通过光纤316施加于待要探伤的材料。主振荡器302可以是具有光纤耦合输出的二极管泵浦非平面环形振荡器(NPRO)，该输出使得产生的种子探测激光束308经由光纤314提供给前置放大器304。另一种方法可以使用光纤激光器作为主振荡器302、以及一个或者多个光纤激光器(例如，二极管泵浦光纤放大器)作为前置放大器304和放大器306来构造全光纤单频激光器(all fiber single-frequency laser)。
在该实施例中，前置放大器304可以是具有光纤耦合输出的二极管泵浦光纤连续前置放大器，其使得中间功率激光束310经由光纤提供给放大器306。前置放大器也可以是二极管或者灯泵浦杆或者板。作为例证，激光材料可以为Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YVO4等等，这里只列举了几个。这种材料可以配置用来作为单通道(single-pass)或者多通道(multi-pass)放大器。放大器306可以是具有光纤耦合输出的二极管泵浦光纤脉冲放大器，光纤耦合输出允许脉冲探测激光束经由光纤。
图4示意了根据本发明的仅使用光纤激光器的探测激光器400的第二实施例。在该实施例中，主振荡器302耦合到两个或者更多个二极管泵浦光纤放大器304和306。如前所述，主振荡器302具有至光纤314的光纤耦合输出。主振荡器302可以为具有光纤耦合输出的二极管泵浦单频光纤激光器。主振荡器302产生种子激光308，其经由光纤314被传输至二极管泵浦前置放大器304。作为示例，主振荡器302产生的激光束302可以为2-25毫瓦的激光。二极管泵浦连续前置放大器304可以将中间功率激光束310的功率增至10-100瓦。放大器306进一步用来增加脉冲探测激光束的功率至500-1000瓦。将光纤泵浦放大器306的输出用316传输至要被测试的材料。
图5示意了根据本发明实施例的可以用作探测激光器的脉冲探测激光器500。脉冲探测激光器500包括单频振荡器302、连续前置放大器304和脉冲放大器306，该实施例的运行方式与参考图3所描述的运行方式相似。在该实施例中，图5中的放大器306不同于图3中所描述的放大器在于：放大器306可以是具有光纤耦合输出的固态脉冲放大器，光纤耦合输出允许脉冲探测激光束经由光纤传输。
图6示意了根据本发明实施例的可以用作探测激光器的脉冲探测激光器600。脉冲激光器600包括单频振荡器302、连续前置放大器304和脉冲放大器306。该实施例的运行方式与参考图3所描述的运行方式相似。在该实施例中，图6中的前置放大器304和放大器306不同于图3所描述的在于：前置放大器304可以为二极管泵浦固态连续放大器并且放大器306可以是二极管泵浦固态脉冲放大器。组件可以被通过所示的自由空间或者通过光纤光学耦合。脉冲探测激光束312可以经由光纤316传输。
由单个放大器产生的单频辐射的功率等级可能受限于被称做受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)的物理现象。当SBS发生时，放大器作为镜面将辐射反射回至主振荡器，有可能损坏它并较大程度地限制了输出功率。通常，光纤和放大器的光纤都是单一模式的，其典型的直径小于50微米。发生SBS的功率阈值与光纤直径的平方成比例。对于光纤放大器的所需光纤直径，为了在超过SBS的功率阈值的功率等级产生单频辐射，可以使用几个并联的光纤放大器，每个放大器产生低于自身的SBS阈值的功率等级。所有放大器的输出光纤通过熔接或者其它技术组合成更大的多模光纤，其具有的SBS阈值在并联的放大器的组合功率之上。图7和图8展示了该方法作为本发明的两个实施例。
图7示意了根据本发明的实施例的可以被用作探测激光器的脉冲探测激光器700的另一实施例。脉冲探测激光器700包括单频振荡器302、连续前置放大器304和脉冲放大器306。该实施例的运行方式与参考图3所描述的运行方式相似。在该实施方式中，图7的放大器306A、306B、306C不同于图3所示的放大器306。输出光纤316是大的中心直径光纤，其典型直径大于50微米，并且第二级放大器有多个并联的二极管泵浦放大器306A、306B、306C。这些并联二极管泵浦放大器的输出可以在单个光纤中结合。主振荡器302产生种子激光束308，该种子激光束308经由光纤耦合输出318被提供给光纤314。在该例的一个实施例中，主振荡器的302的功率输出可能需要产生具有功率大约为25毫瓦的激光束308。作为例证，前置放大器304可以增加该激光束的功率至大约5-10瓦。然后，这三个并联的二极管泵浦光纤放大器306A、306B、306C每一个都耦合于前置放大器304的输出。每个二极管泵浦光纤放大器产生低于其自身SBS阈值的功率。这三个并联的二极管泵浦光纤放大器306A、306B、306C可以明显增加输出激光束312的功率。如该例中所示，当使用二极管泵浦光纤放大器的这种配置时，其多模输出可以大于1000瓦。
图8示意了根据本发明实施例的探测激光器的又一实施例。在该例中，主振荡器302由二极管泵浦、单频光纤激光器替代，与NPRO相反。
关联于主振荡器和光纤放大器的光纤激光器可以为：(1)镱(Ytterbium，Yb)元素掺杂的光纤，可操作产生大约1000纳米波长的辐射；或(2)铒(Erbium，Er)掺杂的或者共掺杂的光纤，可操作产生大约1550纳米波长的辐射。光纤激光器可以用面包层泵浦，其中，泵浦二极管通过泵浦光纤耦合到有源光纤(active fiber)。通过有源光纤的面包层或者内部包层，泵浦光纤耦合到该激活光纤。这些泵浦二极管可以包括单个发射器、一组单个发射器、二极管线阵列和/或一组二极管线阵列。
通过使用多个小的连续波(CW)二极管来泵浦激光光纤，每个光纤耦合泵浦二极管的功率相对较小(通常仅使用几瓦)。因此，任何一个或者部分二极管的失效对要产生的激光的整体性能可能影响很小。
通过降低对最终放大器的要求，散热问题和激光束312的波形的热失真将大大减小。光纤耦合的二极管的散热可以与增益分离地处理。另外，这些低功率二极管通常使平均故障间隔时间(mean time betweenfailure，MTBF)额定值大大增加，其达到了二极管板激光器的板达到的水平。当与使用传统块晶增益介质比较时，光纤激光类放大器的散热管理大大改进了。这是由于光纤表面积(光纤散热的地方)与体积(激光产生或者放大的地方)之比较之与板放大器关联的块面积体积比大许多个数量级。因此，光纤激光器可以以非常小的波前失真工作在单一模式。由于光纤激光器能够在CW模式或者相位调制模式下运行，因此速度限制不是激光速度，而是要被测试材料中的超声波的传播时间和其它用于扫描经过要被测试的部件的探测激光的部件的扫描能力。这使有效的扫描速率达到10KHz或者更高。相比于现有系统的扫描速率，这提供了显著改进。另外，这种灵活的结构特点能使可移动和便携激光超声探伤系统设计适用于恶劣的工业环境中。
图9提供了按照本发明的一个或多个实施例的逻辑流程图，其描绘如何在激光超声探伤系统里产生探测激光。操作900由步骤902中的产生种子探测激光开始。该种子探测激光束可以为低功率，即大约为25毫瓦激光束，该激光束可以在各级(stage)中被放大。该种子探测激光束可以使用NPRO或单一泵浦单频光纤激光器产生，或者通过其它已知的产生种子探测激光的方式产生。在步骤904中，种子激光束可以使用一个或多个二极管泵浦连续前置放大器放大。这使得中间激光束具有中间功率等级。在步骤906中，随后使用一个或者多个二极管泵浦脉冲放大器放大中间功率激光束以产生脉冲探测激光。在之前描述的实施例中，采用二极管泵浦光纤激光放大器的各种组合以将探测激光的功率从25毫瓦的种子激光增至1000瓦或1000瓦以上。在步骤908中，探测激光束被传送至目标。
在操作中，当测试更复杂的表面或访问受限的区域内的表面时，本发明允许激光超声波测试设备能在更广泛的环境条件中使用。本发明的实施例可以使用光纤激光器来产生探测激光束和可能的产生激光束并传送至被检测的远程目标。这样做可以使得激光超声系统的整体尺寸大大减小。例如，可以使用小得多的机器人系统取代基于大台架的系统来将产生和探测激光束传送至被测试目标的表面。这使得本发明的实施例提供的激光超声探伤系统不仅可以用来探伤独立的部件，而且可以评估集成部件的内部结构。因此，本发明的实施例提供的激光超声波系统不仅可以探伤独立的部分，而且可以探伤由单独的部件构成的组装结构。这使得在集成部件被构建之后进行探伤以在该结果的整个使用期内观察其内部结构是否有任何改变。另外，本发明的实施例可以提供完全移动的系统，其使用光纤激光器来探测实地远程目标上的超声波位移，而没有常常与探测激光束的探测的自由空间传送相关联的问题。
通过使用镱掺杂的光纤，光纤激光器能产生波长相似于或者相等于1064纳米的激光发射，该波长当前用于工业激光超声波探伤。因此，镱掺杂的光纤在不需要对任何光学部件和探测器进行更换的情况下，可以代替当前使用的二极管泵浦或闪光灯泵浦杆或者板探测激光器。然而，铒掺杂(Erbium-doped)或者铒共掺(Erbium-co doped)的光纤能产生1550纳米左右的波长的激光发射。这个波长范围通常被认定为对眼睛是安全的。与1000纳米左右的波长相比，当使用对眼睛安全的波长时，安全性要求显著降低。如果要在露天现场或者制造环境中使用激光超声波探伤系统，那些降低的安全性要求能转换为资金和运行成本的大幅度减少。
使用工作在1550纳米左右波长的探测激光器的另一个附加的优点是，有可能充分发掘为电信应用而开发的非常大量的光学技术(例如，探测器、调制器、光纤等)的优势。
可以使用不同的方式来泵浦光纤激光器和光纤放大器。最常用的方式是包层泵浦，其中该泵浦的辐射被插入光纤激光器或者放大器的包层中。包层泵浦可以从包层端(端泵浦)或者包层面(面泵浦)完成。面泵浦消除了端泵浦或者同轴泵浦的困难，其中离轴内芯设计或扭曲的有源(active)和泵浦光纤设计。另外，融合光纤耦合去除了聚焦光学装置和对齐的需求并且比诸如端或者V型沟槽泵浦等其它设计更加健壮。
通过采用单独的二极管和包层面泵浦技术，功率可以通过引入额外的泵浦二极管按比例放大而对可靠性不产生不利的影响。单独的二极管的寿命比二极管线阵列大好几个数量级。另外，单个发光器之间彼此相互独立，与二极管线阵列相反的是，当其中一个发光器失效时，它不影响任何其它发光器。最后，单个发光器失效时，由于二极管发光器数量巨大，所以光纤激光器或放大器的整体输出功率的下降非常小。
总体上，本发明涉及用于超声波的光学探测的改进的激光器。本发明实施例提供了脉冲探测激光器。脉冲探测激光器包括单频振荡器、连续前置放大器和脉冲放大器。单频振荡器产生种子激光束并光耦合至连续前置放大器。连续前置放大器放大种子激光以产生中间功率激光束。光学耦合到连续前置放大器的脉冲放大器接收中间功率激光束并放大该中间功率激光束放大以产生脉冲探测激光束。该脉冲探测激光的一个任务是照射超声位移。来自该激光器的光被散射、收集，并由干涉计分析以解调在该部分的表面的超声波的回波导致超声位移。
本领域普通技术人员应理解的是，文中所用的术语“基本上”或者“大约地”提供了相应术语的工业界可接受的(industry-accepted)公差。这种工业界可接受的公差范围为从小于1％到20％并对应于(但并不限于)部件值、集成电路工艺波动、温度波动、上升和下降时间和/或热噪音。本领域技术人员应进一步理解的是，文中所用的术语“可操作地耦合(operably coupled)”包括直接耦合、经由其它部件、元件、电路或模块的间接耦合，其中对于间接耦合的插入式部件(interveningcomponent)、元件、电路或者模块并不改变信号的信息，但可以调整其电流水平、电压水平和/或功率级别。本领域普通技术人员也应理解的是，推断的耦合(inferred coupling)(即，某一元件通过推断耦合至另一元件)包括两个元件之间以与“可操作地耦合”相同的方式的直接的和间接的耦合。本领域普通技术人员应进一步理解的是，文中所用的术语“有利地比较(compare favorably)”，表示两个或者更多个元件、项目、信号等之间的比较，提供了期望的关系。例如，当期望的关系是信号1比信号2有更大的幅度时，当信号1的幅度大于信号2的幅度时、或者当信号2的幅度小于信号1的幅度时获得有利的比较。
尽管对本发明作了详细描述，应当理解的是，在没有脱离本发明精神或者所附的权利要求所定义的发明范围内，可以做出各种变化、替换或者改变。
 

Claims (36)

1.一种产生脉冲探测激光束的方法，包括以下步骤：
产生种子激光；
使用连续前置放大器放大所述种子激光以产生中间功率激光束；以及
使用脉冲放大器放大所述中间功率激光束以产生所述脉冲探测激光束。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述脉冲探测激光束被导向远程目标的表面；
所述脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面的一部分；
所述远程目标的表面的被照射部分中的超声表面位移相位调制所述脉冲探测激光束；
光学装置收集由被所述远程目标的表面散射或反射的所述探测激光束产生的相位调制光；以及
处理所述相位调制光以获得数据，该数据表示在所述表面处的所述超声表面位移和所述远程目标中的结构。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述连续前置放大器包括：
二极管泵浦光纤；
二极管泵浦杆激光材料；
二极管泵浦板激光材料；
二极管泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦杆激光材料；或者
灯泵浦板激光材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲放大器包括：
二极管泵浦光纤；或者
二极管泵浦固态激光材料。
5.如权利要求1所述的方法，其中，
所述种子激光光纤耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器光纤耦合到脉冲放大器。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
所述种子激光经由自由空间光学耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器经由自由空间光学耦合到所述脉冲放大器。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述种子激光由单频振荡器产生。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述单频振荡器包括：
非平面环形振荡器；
线性空腔(linear cavity)振荡器；或者
光纤振荡器。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述连续前置放大器包括单通道放大器或者多通道放大器。
10.一种脉冲探测激光器，包括：
可操作地用于产生种子激光束的单频振荡器；
光学耦合至所述单频振荡器的连续前置放大器，所述连续前置放大器运行可操作地用于放大所述种子激光以产生中间功率激光束；以及
光学耦合至连续前置放大器的脉冲放大器，所述脉冲放大器可操作地用于放大所述中间功率激光束以产生脉冲探测激光束。
11.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中：
所述脉冲探测激光束被导向远程目标的表面；
所述脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面的一部分；
所述远程目标的表面的被照射部分中的超声表面位移相位调制所述脉冲探测激光束；
光学装置收集由被所述远程目标的表面散射或反射的所述探测激光束产生的相位调制光；以及
处理所述相位调制光以获得数据，该数据表示在所述表面处的所述超声表面位移和所述远程目标中的结构。
12.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中所述连续前置放大器包括：
二极管泵浦光纤；
二极管泵浦杆激光材料；
二极管泵浦板激光材料；
二极管泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦杆激光材料；或者
灯泵浦板激光材料。
13.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中所述脉冲放大器包括：
二极管泵浦光纤；或者
二极管泵浦固态激光材料。
14.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中，
所述种子激光光纤耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器光纤耦合到脉冲放大器。
15.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中：
所述种子激光经由自由空间光学耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器经由自由空间光学耦合到所述脉冲放大器。
16.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中所述种子激光由单频振荡器产生。
17.如权利要求16所述的脉冲探测激光器，其中所述单频振荡器包括：
非平面环形振荡器；
线性空腔振荡器；或者
光纤振荡器。
18.如权利要求10所述的脉冲探测激光器，其中所述连续前置放大器包括单通道放大器或者多通道放大器。
19.一种产生脉冲探测激光束的方法，所述脉冲探测激光束可操作地用于探测远程目标的表面内的超声表面位移，该方法包括：
使用主振荡器产生种子激光；
使用连续前置放大器放大所述种子激光以来产生中间功率激光束；
使用脉冲放大器放大所述中间功率激光束以产生脉冲探测激光束；并且
其中，
所述脉冲探测激光束被导向所述远程目标的表面；
所述脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面的一部分；
所述远程目标的表面的被照射部分中的超声表面位移相位调制所述脉冲探测激光束；
光学装置收集由被所述远程目标的表面散射或反射的所述探测激光束产生的相位调制光；以及
处理所述相位调制光以获得数据，该数据表示在所述表面处的所述超声表面位移和所述远程目标中的结构。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述连续前置放大器包括：
二极管泵浦光纤；
二极管泵浦杆激光材料；
二极管泵浦板激光材料；
二极管泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦薄盘激光材料；
灯泵浦杆激光材料；或者
灯泵浦板激光材料。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述脉冲放大器包括：
二极管泵浦光纤；或者
二极管泵浦固态激光材料。
22.如权利要求19所述的方法，其中，
所述种子激光光纤耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器光纤耦合到脉冲放大器。
23.如权利要求19所述的方法，其中：
所述种子激光经由自由空间光学耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器经由自由空间光学耦合到所述脉冲放大器。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述种子激光通过单频振荡器产生。
25.如权利要求24所述的方法，所述单频振荡器包括：
非平面环形振荡器；
线性空腔振荡器；或者
光纤振荡器。
26.如权利要求19所述的方法，其中所述连续前置放大器包括单通道放大器或者多通道放大器。
27.如权利要求19所述的方法，还包括：处理数据以评估所述远程目标的结构完整性。
28.如权利要求19所述的方法，其中所述主振荡器包括镱掺杂的光纤，所述镱掺杂的光纤可操作地用于产生在大约1000纳米波长处的辐射。
29.如权利要求19所述的方法，其中所述主振荡器包括铒掺杂的或者铒共掺杂的光纤，所述铒掺杂的或者铒共掺杂的光纤可操作地用于产生在大约1550纳米波长处的辐射。
30.如权利要求19所述的方法，其中所述主振荡器包含具有面包层泵浦的光纤激光器，其中，泵浦二极管通过泵浦光纤耦合到有源光纤(active fiber)。
31.如权利要求19所述的方法，其中所述脉冲放大器包括泵浦二极管，所述泵浦二极管包括单一发射器、单一发射器组、二极管线阵列和/或二极管线阵列组。
32.一种脉冲探测激光器，可操作地用于产生脉冲探测激光束以探测远程目标的表面内的超声表面位移，所述脉冲探测激光器包括：
单频振荡器，可操作地用于产生种子激光束；
光学耦合到所述单频振荡器的连续前置放大器，所述连续前置放大器可操作地用于放大所述种子激光以产生中间功率激光束；
光学耦合到所述连续前置放大器的脉冲放大器，所述脉冲放大器可操作地用于放大所述中间功率激光束以产生脉冲探测激光束；并且
其中，
所述脉冲探测激光束被导向所述远程目标的表面；
所述脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面的一部分；
所述远程目标的表面的被照射部分中的超声表面位移散射所述脉冲探测激光束以产生相位调制光；
处理所述相位调制光以获得数据，该数据表示在所述表面处的所述超声表面位移和所述远程目标中的结构。
33.如权利要求32所述的脉冲探测激光器，其中，
所述种子激光光纤耦合到所述连续前置放大器；以及
所述连续前置放大器光纤耦合到所述脉冲放大器。
34.如权利要求32所述的脉冲探测激光器，其中，
所述脉冲探测激光束被导向远程目标的表面；
所述脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面的一部分；
所述远程目标的表面的被照射部分中的超声表面位移相位调制所述脉冲探测激光束；
光学装置收集由被所述远程目标的表面散射或反射的所述探测激光束产生的相位调制光；以及
处理所述相位调制光以获得数据，该数据表示在所述表面的所述超声表面位移和所述远程目标中的结构。
35.如权利要求16所述的脉冲探测激光器，其中所述单频振荡器包括：
非平面环形振荡器；
线性空腔振荡器；或者
光纤振荡器。
36.一种用来测量远程目标的表面上的超声表面位移的大面积复合材料探伤装置，包括：
超声波产生系统，可操作地用于在所述远程目标上产生超声表面位移；
探测激光器，可操作地用于使用脉冲探测激光束照射所述远程目标的表面上的超声表面位移，其中所述探测激光器包括：
单频振荡器，可操作地用于产生种子激光束；
光学耦合到所述单频振荡器的连续前置放大器，所述连续前置放大器可操作地用于放大所述种子激光以产生中间功率激光束；以及
光学耦合到所述连续前置放大器的脉冲放大器，可操作地用于放大所述中间功率激光束以产生脉冲探测激光束；
扫描组件，可操作地用于形成所述脉冲探测激光束的照射点与所述远程目标的表面之间的相对运动；
收集光学装置，用于收集来自由所述远程目标表面反射或散射的所述脉冲探测激光束的相位调制光；
光学处理器，用来处理由所述收集光学装置所收集的相位调制光并产生输出信号；以及
处理器，可操作地用于处理所述输出信号，以获得表示所述远程目标的表面上的超声表面位移的数据。
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