JPH09257755A - Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection method - Google Patents
Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection methodInfo
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- JPH09257755A JPH09257755A JP8066145A JP6614596A JPH09257755A JP H09257755 A JPH09257755 A JP H09257755A JP 8066145 A JP8066145 A JP 8066145A JP 6614596 A JP6614596 A JP 6614596A JP H09257755 A JPH09257755 A JP H09257755A
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な装置で特定の方向に超音波を伝播させ
ることが可能なレーザー超音波検査装置及びレーザー超
音波検査方法を提供する。
【解決手段】 光ファイバー13から出たレーザービー
ムを回折格子16で回折して被検体17に照射すると、
多数分岐したレーザービーム同士の干渉によって、被検
体17の表面上で回折したレーザービーム同士が強め合
うところでは超音波が発生する。フェムト秒レーザー
は、10-12 〜10-15 秒程度のパルス幅の非常に短い
レーザービームを発することが可能であり、また、その
中に多数の周波数成分を含むことが知られている。この
ように多数の周波数成分を含むレーザーパルスは、光の
周波数に対する分散性を有する光ファイバーを通すこと
によって、そのパルス幅を拡大することができる。これ
を回折格子に通して照射すると、干渉縞は移動し、発生
する超音波は所定方向に伝播する。
(57) Abstract: A laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection method capable of propagating ultrasonic waves in a specific direction with a simple device. SOLUTION: When a laser beam emitted from an optical fiber 13 is diffracted by a diffraction grating 16 and applied to a subject 17,
An ultrasonic wave is generated at the place where the laser beams diffracted on the surface of the subject 17 reinforce each other due to the interference of the multiple branched laser beams. The femtosecond laser is capable of emitting a very short laser beam with a pulse width of about 10 -12 to 10 -15 seconds, and it is known that it contains a large number of frequency components. Thus, the laser pulse containing a large number of frequency components can be expanded in pulse width by passing through an optical fiber having a dispersibility with respect to the frequency of light. When this is irradiated through a diffraction grating, the interference fringes move and the generated ultrasonic waves propagate in a predetermined direction.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体にレーザー
ビームを照射して超音波を発生させ、被検体を伝播した
超音波を検出することによって被検体中の欠陥を検査す
るレーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ultrasonic inspection for inspecting a defect in a subject by irradiating the subject with a laser beam to generate ultrasonic waves and detecting the ultrasonic waves propagated through the subject. The present invention relates to a device and a laser ultrasonic inspection method.
【0002】[0002]
【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検出する方法の
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれる方法
がある。これについては、例えば「超音波TECHNO
5月号(vol.5, No.5, p38(1993)日本工業出版)」にお
いて説明されている。この方法は、レーザービームを用
いて超音波を検出するので、接触して検査することがで
きない材料等の内部状態を調べる非接触の検査に用いる
ことができる。したがって、製鉄工程における品質検
査、鉄骨加工における溶接の検査、セラミックス材料の
品質検査、航空機部品の内部検査、その他金属、複合材
料の品質検査等への応用が期待されている。2. Description of the Related Art One of the methods for detecting internal defects of various materials is a so-called laser ultrasonic method. Regarding this, for example, "Ultrasonic TECHNO
May issue (vol.5, No.5, p38 (1993) Nippon Kogyo Shuppan) ". Since this method detects an ultrasonic wave using a laser beam, it can be used for a non-contact inspection for examining an internal state of a material or the like that cannot be inspected by contact. Therefore, it is expected to be applied to quality inspections in iron making processes, welding inspections in steel frame processing, quality inspections of ceramic materials, internal inspections of aircraft parts, and quality inspections of other metals and composite materials.
【0003】代表的なレーザー超音波検査装置は、一例
として、被検体内部に超音波を励起させるためのレーザ
ー光源(例えばQスイッチYAGレーザー)と、被検体
中を伝播する超音波を検出するプローブ用レーザー光源
(例えばHe−Neレーザー)を備えている。適当な励
起用レーザー光を被検体に照射すると、熱的応力又は蒸
発反力によって被検体中に超音波が発生する。この超音
波は被検体中を伝播する際に、内部に欠陥があれば、そ
こで反射又は散乱される。被検体中を伝播する超音波の
検出は、プローブ用レーザービームの位相変化やドップ
ラーシフトを観測することによって行うことができる。
そして、超音波の発生位置から検出位置までに超音波が
伝播するに要した時間や振幅の変化等から、内部の欠陥
の存否あるいは欠陥の存在する位置を推定することが可
能となる。A typical laser ultrasonic inspection apparatus is, for example, a laser light source (for example, a Q-switch YAG laser) for exciting ultrasonic waves inside a subject, and a probe for detecting ultrasonic waves propagating in the subject. Laser light source (for example, He-Ne laser). When a subject is irradiated with an appropriate excitation laser beam, ultrasonic waves are generated in the subject due to thermal stress or evaporation reaction force. When this ultrasonic wave propagates through the subject, if there is a defect inside, it is reflected or scattered there. The ultrasonic waves propagating through the subject can be detected by observing the phase change or Doppler shift of the probe laser beam.
Then, it is possible to estimate the presence or absence of the internal defect or the position where the defect exists from the time required for the ultrasonic wave to propagate from the generation position of the ultrasonic wave to the detection position, the change in the amplitude, and the like.
【0004】しかしながら、これまでのレーザー超音波
装置では、励起用レーザービームが照射された位置にお
いて発生した超音波は、球面波状に広がりながら被検体
中を伝播するため、エネルギーが分散され、検出位置に
到達する超音波の割合は非常に小さくなる。また、広が
りながら伝播する結果、例えば、欠陥で反射又は散乱さ
れた超音波を検出しても、その欠陥の正確な位置を特定
することが難しい。However, in the conventional laser ultrasonic devices, the ultrasonic waves generated at the position irradiated with the excitation laser beam propagate in the object while spreading in a spherical wave shape, so that the energy is dispersed and the ultrasonic waves are detected. The proportion of ultrasonic waves that reach to is very small. Further, as a result of propagating while spreading, for example, even if ultrasonic waves reflected or scattered by a defect are detected, it is difficult to specify the exact position of the defect.
【0005】そこで、H.Nishino らは、レーザービーム
で励起させた超音波を、試料中のある特定の方向に集中
して伝播させる方法を提案した(H.Nishino, Y.Tsukaha
ra,H.Cho, Y.Nagata, T.Koda and K.Yamanaka「Generat
ion and Dierctivity control of bulk Acoustic waves
by phase velocity scanning of laser interference
fringes」Jpn.J.Appl.Phys.,34,1995, p2874-2878)。
この方法は、図4に示すように、単一のレーザー光源
(Nd:YAG)からのレーザービームを二つのビーム
に分岐させ、両者を試料(Si3 N4 )側方の同じ点に
照射することによって、試料表面において干渉を引き起
こす。その際、分岐させた一方のレーザービームの周波
数を、TeO2 ブラッグセルを通して僅かに(前掲論文
では80MHz)変化させることにより、試料表面に生
じる干渉縞を高速に走査させる。一方、試料を伝播した
超音波の検出にはナイフエッジ法を用い、試料の底面に
照射したアルゴンレーザー(Argon+ )からのビー
ムをアバランシェ・フォトダイオード(APD)で検出
する。検出された信号は、バンドパスフィルタ(BP
F)を通して、或いは、直接ディジタルオシロスコープ
に送られて、信号波形を表示させる。Therefore, H. Nishino et al. Proposed a method of concentrating and propagating ultrasonic waves excited by a laser beam in a specific direction in a sample (H. Nishino, Y. Tsukaha.
ra, H. Cho, Y. Nagata, T. Koda and K. Yamanaka `` Generat
ion and Dierctivity control of bulk Acoustic waves
by phase velocity scanning of laser interference
fringes "Jpn.J.Appl.Phys., 34, 1995, p2874-2878).
In this method, as shown in FIG. 4, a laser beam from a single laser light source (Nd: YAG) is split into two beams, and the two beams are irradiated to the same point on the side of the sample (Si 3 N 4 ). This causes interference at the sample surface. At this time, the frequency of one of the branched laser beams is slightly changed (80 MHz in the above-mentioned paper) through the TeO 2 Bragg cell to scan the interference fringes generated on the sample surface at high speed. On the other hand, a knife edge method is used to detect the ultrasonic waves propagated through the sample, and a beam from an argon laser (Argon + ) irradiated on the bottom surface of the sample is detected by an avalanche photodiode (APD). The detected signal is a bandpass filter (BP
The signal waveform is displayed through F) or directly to a digital oscilloscope.
【0006】前掲論文によれば、図5に示すような幾何
学的配置で(励起用レーザービームを照射する面を水平
に示している)、試料に照射する二つのレーザービーム
の入射角をθ、角周波数差の絶対値|ω1 −ω2 |をω
a 、レーザービームの波数をk(=k1 ≒k2 )とする
と、試料の表面を移動する干渉縞(SIF)の走査速度
vは、 v=ωa /2k sinθ (1) で与えられる。(1)式から、干渉縞の走査速度vが、
二つのレーザービームの入射角θに依存することが分か
る。なお、干渉縞の走査方向は、ω1 <ω2 のときに、
左から右へ向かう方向となる。また、超音波(BAW)
が伝播する方向φは、 φ= sin-1(c/v) (2) で与えられ、干渉縞の走査速度vに依存する。したがっ
て、(1)式及び(2)式から、二つのレーザービーム
の入射角θを変えることによって、超音波の伝播方向φ
を制御することが可能であることが分かる。前掲論文に
よれば、かかる原理によって、微小レベルでの非接触か
つ非破壊の欠陥検出が可能になるとしている。According to the above-mentioned paper, the incident angle of two laser beams irradiating the sample is θ with the geometrical arrangement as shown in FIG. 5 (the surface on which the exciting laser beam is irradiated is shown horizontally). , The absolute value of the angular frequency difference | ω 1 −ω 2 |
a and the wave number of the laser beam is k (= k 1 ≈k 2 ), the scanning speed v of the interference fringes (SIF) moving on the surface of the sample is given by v = ω a / 2k sin θ (1). From the equation (1), the scanning speed v of the interference fringes is
It can be seen that it depends on the incident angle θ of the two laser beams. The scanning direction of the interference fringes is as follows when ω 1 <ω 2 .
The direction is from left to right. Also, ultrasound (BAW)
Is propagated by φ = sin −1 (c / v) (2) and depends on the scanning speed v of the interference fringes. Therefore, from the expressions (1) and (2), by changing the incident angle θ of the two laser beams, the propagation direction φ of the ultrasonic wave can be changed.
It turns out that it is possible to control. According to the above-mentioned paper, this principle enables non-contact and non-destructive defect detection at a minute level.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】ところで、前掲論文
は、干渉縞を高速に走査させることによって特定の方向
に超音波を伝播させ得ることを検証するのが主たる目的
であり、この方法を用いて実際に製造現場で製品の欠陥
検査を行うための具体的な指針については触れられてい
ない。したがって、上記の原理を用いて実際の検査装置
を実現するには、種々の問題を解決する必要がある。例
えば、前掲論文で説明されている方法は、超音波を励起
させるために二つのレーザービームを必要とするため、
単一のレーザー光源からビームを分岐させる光学手段が
必要ある。また、分岐させたレーザービームの一方の周
波数を正確に変化させる手段が必要である。更に、超音
波の伝播方向を制御するためには、二つのレーザービー
ムの入射角を同時に等しい角度だけ変えることが必要と
なるため、精密な角度制御が困難となることが予想され
る。By the way, the main purpose of the above-mentioned paper is to verify that ultrasonic waves can be propagated in a specific direction by scanning the interference fringes at a high speed. It does not mention specific guidelines for actually inspecting product defects at the manufacturing site. Therefore, it is necessary to solve various problems in order to realize an actual inspection device using the above principle. For example, the method described in the above paper requires two laser beams to excite the ultrasound,
There is a need for optical means to diverge the beam from a single laser source. Further, a means for accurately changing one frequency of the branched laser beam is required. Further, in order to control the propagation direction of the ultrasonic waves, it is necessary to change the incident angles of the two laser beams at the same angle at the same time, so it is expected that precise angle control will be difficult.
【0008】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、簡単な装置で特定の方向に超音波を伝播させ
ることが可能なレーザー超音波検査装置及びレーザー超
音波検査方法を提供することを目的とする。The present invention has been made under the above circumstances, and provides a laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection method capable of propagating ultrasonic waves in a specific direction with a simple device. With the goal.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの請求項1記載の発明にかかるレーザー超音波検査装
置は、複数の周波数成分を含むパルスレーザー光を発生
するレーザー光源と、前記パルスレーザー光を通過させ
る分散性を有する物質からなるパルス幅拡大制御手段
と、前記パルス幅拡大制御手段を通過した前記レーザー
光を回折させ、当該回折光を被検体の表面に照射する回
折格子と、前記回折光の照射によって前記被検体に発生
した超音波振動を検出する超音波検出手段とを具備する
ことを特徴とするものである。A laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1 for solving the above problems is a laser light source for generating a pulsed laser beam containing a plurality of frequency components, and the pulsed light source. A pulse width expansion control unit made of a substance having a dispersive property for passing laser light, and a diffraction grating that diffracts the laser light that has passed through the pulse width expansion control unit and irradiates the surface of the subject with the diffracted light, And an ultrasonic wave detecting means for detecting ultrasonic vibrations generated in the subject by the irradiation of the diffracted light.
【0010】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、前記レーザー光源は、フェムト秒レーザー
であることを特徴とするものである。請求項3記載の発
明は、請求項1又は2記載の発明において、前記パルス
幅拡大制御手段は、光ファイバーであることを特徴とす
るものである。請求項4記載の発明は、請求項1又は2
記載の発明において、前記パルス幅拡大制御手段は、ガ
ラス棒であることを特徴とするものである。According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the laser light source is a femtosecond laser. According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the pulse width expansion control means is an optical fiber. The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1 or 2
In the invention described above, the pulse width expansion control means is a glass rod.
【0011】請求項5記載の発明であるレーザー超音波
検査方法は、複数の周波数成分を含むパルスレーザー光
を、分散性を有するパルス幅拡大制御手段を通過させる
ことによって周波数が時間的に所定の割合で変化するパ
ルスレーザー光とし、このパルスレーザー光を被検体前
面に配置した回折格子に入射させることによって回折さ
れたレーザー光が前記被検体表面に形成する干渉縞を移
動させ、この干渉縞の移動速度を前記周波数変化の割合
に基づいて制御することによってレーザー光の照射によ
り発生する超音波の伝播方向を選択し、この超音波を検
出することによって、前記被検体中の欠陥を検査するこ
とを特徴とするものである。In the laser ultrasonic inspection method according to the present invention, the pulse laser light including a plurality of frequency components is passed through the pulse width expansion control means having a dispersive property so that the frequency is predetermined in time. A pulse laser beam that changes in a ratio, and the interference laser beam diffracted by making the pulse laser beam incident on a diffraction grating arranged on the front surface of the subject move the interference fringes formed on the surface of the subject. Selecting a propagation direction of an ultrasonic wave generated by irradiation of laser light by controlling a moving speed based on the rate of frequency change, and detecting the ultrasonic wave to inspect a defect in the subject. It is characterized by.
【0012】[0012]
【作用】本発明は、上記の構成によって、複数の周波数
成分を含むレーザーパルスをパルス幅拡大制御手段に通
すと、周波数の高い(波長の短い)光が透過するのに要
する時間は短く、周波数の低い(波長の長い)光が透過
するの要する時間は長いため、出てくるパルスレーザー
のパルス幅は拡大され、かつ、そのパルスレーザーの周
波数は、そのパルス幅の時間内で高い周波数から低い周
波数へと変化する。その結果、そのレーザーパルスの単
位時間当たり変化率はゼロではなくなる。このようなレ
ーザーパルスを回折格子で回折させると、その先にある
被検体の表面において干渉縞を形成し、しかも、周波数
が変化することによってその干渉縞が所定のレーザーパ
ルスの周波数の変化率に対応した速度で被検体表面上を
移動する。かかる干渉縞の移動によって、光が強め合う
部分で発生する超音波は、干渉縞の移動速度と被検体中
の音速とで決まる所定の方向に伝播する。According to the present invention, when a laser pulse containing a plurality of frequency components is passed through the pulse width expansion control means, the time required for transmitting high frequency light (short wavelength) is short and the frequency is high. The low pulse width (long wavelength) light takes a long time to transmit, so the pulse width of the emerging pulse laser is expanded, and the pulse laser frequency is lower than the high frequency within the pulse width time. Change to frequency. As a result, the rate of change of the laser pulse per unit time is not zero. When such a laser pulse is diffracted by a diffraction grating, interference fringes are formed on the surface of the subject in front of it, and moreover, the interference fringes change at a predetermined rate of change of the frequency of the laser pulse due to the frequency change. It moves on the surface of the subject at a corresponding speed. Due to the movement of the interference fringes, the ultrasonic waves generated in the portions where the lights are intensified propagate in a predetermined direction determined by the moving speed of the interference fringes and the speed of sound in the subject.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
一実施形態について説明する。図1は、本実施形態であ
る超音波検査装置の概略構成図である。同図において、
レーザー光源10は、超音波励起用のレーザーで、ここ
では、フェムト秒レーザーを使用する。レーザー光源1
0から発せられたレーザービームはミラー11,12を
経て、パルス幅拡大制御手段である光ファイバー13に
入射する。光ファイバー13から出たレーザービーム
は、ビーム拡散用レンズ14及びフォーカス用レンズ1
5を経て、回折格子16において回折され、被検体17
に照射される。本実施形態の回折格子16は、透明なガ
ラスに細いスリットが多数平行に設けられたもので、こ
れに照射されたレーザービームは、それぞれのスリット
において多数のレーザービームに分岐されるとともに、
各スリットによって回折される。多数分岐したレーザー
ビーム同士の干渉によって、被検体17の表面上で回折
したレーザービーム同士が強め合うところでは超音波が
発生し、被検体中を伝播する。なお、回折格子の中心軸
から上側の回折ビームは不要なため、これらの回折ビー
ムが当たる部分の被検体表面を、マスク18によって覆
っている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic inspection apparatus according to this embodiment. In the figure,
The laser light source 10 is a laser for ultrasonic excitation, and a femtosecond laser is used here. Laser light source 1
The laser beam emitted from 0 passes through the mirrors 11 and 12 and enters the optical fiber 13 which is the pulse width expansion control means. The laser beam emitted from the optical fiber 13 is a beam diffusion lens 14 and a focusing lens 1.
After passing through 5, the light is diffracted by the diffraction grating 16 and the subject 17
Is irradiated. The diffraction grating 16 of the present embodiment has a large number of thin slits provided in parallel on transparent glass, and the laser beam applied to this slit is split into a large number of laser beams at each slit.
Diffracted by each slit. Due to the interference of the multiple branched laser beams, ultrasonic waves are generated where the laser beams diffracted on the surface of the subject 17 reinforce each other and propagate in the subject. Since the diffraction beams above the central axis of the diffraction grating are unnecessary, the surface of the subject on which these diffraction beams hit is covered by the mask 18.
【0014】一方、被検体中を伝播する超音波の検出
は、レーザー干渉計20によって行う。レーザー干渉計
としては周知のもの、例えばファブリ・ペロー干渉計、
トワイマン・グリーン干渉計、フィゾー干渉計、マッハ
・ツェンダー干渉計等を使用することができる。レーザ
ー干渉計20の出力信号は、位相検波回路21に送ら
れ、その後オシロスコープ22に送られて、信号波形が
表示される。また、その信号は、適当な通信回線(例え
ばGPIB)23を介してコンピュータ24に取り込ま
れる。尚、図1では、レーザー干渉計20のレーザービ
ームを被検体17の表面に照射する様子を示している
が、これは、被検体内部の欠陥で反射又は散乱された超
音波、或いは被検体の裏面で反射された超音波を検出す
る場合の配置である。本実施形態のレーザー超音波検査
装置は、後述のように、超音波を特定の方向に伝播させ
ることができるので、超音波発生部から直接到達する超
音波を検出する場合には、その伝播方向に対応する被検
体の表面位置にレーザー干渉計20のレーザービームを
照射する。On the other hand, the ultrasonic wave propagating in the subject is detected by the laser interferometer 20. Well-known laser interferometers such as Fabry-Perot interferometer,
A Twyman-Green interferometer, a Fizeau interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, etc. can be used. The output signal of the laser interferometer 20 is sent to the phase detection circuit 21 and then to the oscilloscope 22 to display the signal waveform. Further, the signal is captured by the computer 24 via an appropriate communication line (eg GPIB) 23. Note that FIG. 1 shows a state in which the laser beam of the laser interferometer 20 is applied to the surface of the subject 17, but this is because the ultrasonic waves reflected or scattered by the defect inside the subject, or the subject's 17 This is an arrangement for detecting ultrasonic waves reflected on the back surface. As will be described later, the laser ultrasonic inspection apparatus of the present embodiment can propagate an ultrasonic wave in a specific direction. Therefore, when detecting an ultrasonic wave that directly reaches from the ultrasonic wave generation unit, the propagation direction thereof is The laser beam of the laser interferometer 20 is applied to the surface position of the subject corresponding to.
【0015】本実施形態で使用するフェムト秒レーザー
は、10-12 〜10-15 sec程度のパルス幅の非常に
短いレーザービームを発することが可能である。また、
フェムト秒レーザーのビームは、狭い周波数範囲内で多
数の周波数成分を含むことが知られている。このように
多数の周波数成分を含むレーザーパルスは、光ファイバ
ーを通すことによって、そのパルス幅を拡大することが
できる。図2は、このパルス幅拡大の様子を示した図で
あり、横軸は時間t、縦軸は強度I(t)を示す。光フ
ァイバーに入射する前のレーザーパルス(図2(a))
が多数の周波数成分を含んでいると、光ファイバーのよ
うな光の周波数に対する分散性を有する物質の内部で
は、周波数の高い(すなわち、波長の短い)光ほど速く
進行し、より速く射出端に到達する。したがって、光フ
ァイバーから出てきたレーザーパルス(図2(b))
は、そのパルス幅が長くなるだけでなく、そのパルス幅
の時間内で高い周波数から低い周波数へと変化する。し
かも、光ファイバーの長さを変えることによって、簡単
にパルス幅拡大の割合を調節することができる。また、
このことは、光ファイバーの長さを変えることによっ
て、後述する単位時間当たりの波長の変化率を簡単に調
節できることを意味する。The femtosecond laser used in this embodiment can emit a laser beam having a very short pulse width of about 10 -12 to 10 -15 sec. Also,
The beam of a femtosecond laser is known to contain a large number of frequency components within a narrow frequency range. The laser pulse containing a large number of frequency components can be expanded in width by passing through an optical fiber. FIG. 2 is a diagram showing how the pulse width is expanded, where the horizontal axis represents time t and the vertical axis represents intensity I (t). Laser pulse before entering the optical fiber (Fig. 2 (a))
Contains a large number of frequency components, inside a substance that has a dispersive property with respect to the frequency of light, such as an optical fiber, light with a higher frequency (that is, a shorter wavelength) travels faster and reaches the exit end faster. To do. Therefore, the laser pulse emitted from the optical fiber (Fig. 2 (b))
Not only has its pulse width lengthened, but it also changes from a high frequency to a low frequency within the time of its pulse width. Moreover, the rate of pulse width expansion can be easily adjusted by changing the length of the optical fiber. Also,
This means that the rate of change of wavelength per unit time, which will be described later, can be easily adjusted by changing the length of the optical fiber.
【0016】ここで、このように時間的に周波数が変化
するレーザーパルスを回折格子で回折させ、これを被検
体に照射することによって、特定の方向に超音波を伝播
させ得ることについて説明する。図3は、回折格子の一
部を拡大した断面図である。回折格子16の格子定数を
p、光の波長をλ、レーザービームの回折方向をθと
し、mを整数とすると、干渉する回折光は、 p sinθ=mλ (3) という条件を満たす角度θの方向において強め合う。こ
こで、θが微小角であるとすれば(実際に、この条件は
十分満たされている)、 θ ≒ mλ/p である。図1において、回折格子16と被検体17との
距離をl0 とし、x軸を図のようにとると、 x = l0 tanθ ≒ l0 θ (4) である。Here, it will be described that an ultrasonic wave can be propagated in a specific direction by diffracting a laser pulse whose frequency changes with time in this way by a diffraction grating and irradiating the subject with this. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the diffraction grating. When the grating constant of the diffraction grating 16 is p, the wavelength of light is λ, the diffraction direction of the laser beam is θ, and m is an integer, the interfering diffracted light has an angle θ satisfying the condition of p sin θ = mλ (3). Strengthen each other in the direction. If θ is a small angle (actually, this condition is sufficiently satisfied), then θ ≈ mλ / p. In FIG. 1, assuming that the distance between the diffraction grating 16 and the subject 17 is l 0 and the x axis is as shown in the figure, x = l 0 tan θ ≈ l 0 θ (4).
【0017】x軸上で干渉縞が形成される位置を求める
ために(3)式を代入すると、 x = ml0 λ/p (m=0,±1,±2,・・・) (5) となる。すなわち、被検体17の表面上でこの条件を満
たす被検体上の位置で超音波が発生する。ところで、
(5)式から、 dx/dt = v = (ml0 /p)・dλ/dt (6) であるから、レーザーパルスの波長λ(周波数)を時間
的に変化させれば、被検体上に形成される干渉縞を、
(6)式で得られる速度で走査させることが可能とな
る。前述のように、dλ/dtの大きさは、光ファイバ
ーの長さを変えることによって、簡単に希望の値とする
ことができる。そして、干渉縞を速度vで走査させるこ
とができれば、前述の(2)式との関連で説明したよう
に、発生する超音波を、角度φの方向に伝播させること
ができる。Substituting the equation (3) for obtaining the position where the interference fringes are formed on the x-axis, x = ml 0 λ / p (m = 0, ± 1, ± 2, ...) (5 ). That is, ultrasonic waves are generated on the surface of the subject 17 at positions on the subject that satisfy this condition. by the way,
From the equation (5), dx / dt = v = (ml 0 / p) · dλ / dt (6) Therefore, if the wavelength λ (frequency) of the laser pulse is temporally changed, The interference fringes that are formed
It becomes possible to scan at the speed obtained by the equation (6). As described above, the magnitude of dλ / dt can be easily set to a desired value by changing the length of the optical fiber. Then, if the interference fringes can be scanned at the velocity v, the generated ultrasonic waves can be propagated in the direction of the angle φ, as described in relation to the above-mentioned formula (2).
【0018】次に、具体的な数値に基づいて計算する。
被検体中の音速cを5850m/sec(鉄の場合)か
ら11750m/sec(Si3 N4 の場合)までと
し、超音波の伝播方向φを30°から60°までの範囲
内で制御するものとする。被検体中の所定方向に超音波
を伝播させるのに必要な干渉縞の走査速度vは、(2)
式から、被検体中の音速が5850m/secで伝播方
向の角度φが60°の場合では6755m/sec、被
検体中の音速が11750m/secで伝播方向の角度
φが30°の場合では23500m/secである。ま
た、p=50μm、l0 =1mとし、中央の干渉縞を考
えるものとすると(m=1)、(6)式において、 v = 2×104 ・dλ/dt (7) すなわち、 dλ/dt = v ÷ 2×104 (8) である。Next, calculation is performed based on concrete numerical values.
Controlling the sound velocity c in the subject from 5850 m / sec (for iron) to 11750 m / sec (for Si 3 N 4 ) and controlling the ultrasonic propagation direction φ within the range of 30 ° to 60 ° And The scanning speed v of the interference fringes required to propagate the ultrasonic wave in a predetermined direction in the subject is (2)
From the equation, 6755 m / sec when the sound velocity in the subject is 5850 m / sec and the propagation direction angle φ is 60 °, and 23500 m when the sound velocity in the subject is 11750 m / sec and the propagation direction angle φ is 30 °. / Sec. If p = 50 μm and l 0 = 1 m and the center interference fringes are considered (m = 1), then in equation (6), v = 2 × 10 4 · dλ / dt (7) That is, dλ / dt = v ÷ 2 × 10 4 (8).
【0019】したがって、干渉縞の走査速度vを675
5m/secとするためには、dλ/dt=3.38×
10-1m/sec、干渉縞の走査速度vを23500m
/secとするためには、dλ/dt=1.175m/
secの割合で波長を変化させればよい。すなわち、被
検体が鋼材(鉄)の場合に、レーザービームの波長の変
化率を3.38×10-1m/secとすれば、超音波の
伝播方向φは60°となり、波長の変化率をこれよりも
大きくすれば、伝播方向が小さくなるように制御でき
る。一方、被検体がSi3 N4 の場合に、レーザービー
ムの波長の変化率を1.175m/secとすれば、超
音波の伝播方向φは30°となり、波長の変化率をこれ
よりも小さくすれば、伝播方向が大きくなるように制御
できる。Therefore, the scanning speed v of the interference fringes is set to 675.
To obtain 5 m / sec, dλ / dt = 3.38 ×
10 -1 m / sec, interference fringe scanning speed v is 23500 m
/ Sec, dλ / dt = 1.175 m /
The wavelength may be changed at a rate of sec. That is, when the subject is steel (iron) and the rate of change of the wavelength of the laser beam is 3.38 × 10 −1 m / sec, the ultrasonic wave propagation direction φ is 60 °, and the rate of change of the wavelength is Can be controlled so that the propagation direction becomes smaller. On the other hand, when the subject is Si 3 N 4 and the rate of change of the wavelength of the laser beam is 1.175 m / sec, the ultrasonic wave propagation direction φ is 30 °, and the rate of change of the wavelength is smaller than this. By doing so, it is possible to control the propagation direction to increase.
【0020】次に、上記のような波長の変化率を実現す
るのに必要な具体的なフェムト秒レーザー及びパルス幅
を拡大する光ファイバーの仕様について説明する。フェ
ムト秒レーザーでは、そのパルス幅をΔt、このパルス
に含まれる最大の周波数成分と最小の周波数成分との差
をΔνとすると、Δt・Δνがほぼ1になるという性質
がある。Δνに対応する波長の差をΔλ、cを光速(1
08 m/sec)とすると、 Δν = c/Δλ (9) であるから、この式とΔt・Δν≒1という関係から Δt・c/Δλ ≒ 1, Δλ ≒ c・Δt (10) である。フェムト秒レーザーには、パルス幅Δtが10
-12 sec程度のものから10-15 sec程度のものま
であるので、(10)式から、これらのパルス幅に対応
する波長差Δλは10-4mから10-7mとなる。Next, the specifications of the specific femtosecond laser and the optical fiber for expanding the pulse width necessary to realize the above-mentioned rate of change of wavelength will be described. The femtosecond laser has a property that Δt · Δν becomes approximately 1 when the pulse width is Δt and the difference between the maximum frequency component and the minimum frequency component included in this pulse is Δν. Δλ is the wavelength difference corresponding to Δν, and c is the speed of light (1
( 8 8 m / sec), Δν = c / Δλ (9), and therefore from this relationship and Δt · Δν≈1, Δt · c / Δλ≈1, Δλ≈c · Δt (10). . A femtosecond laser has a pulse width Δt of 10
Since there are from −12 sec to 10 −15 sec, the wavelength difference Δλ corresponding to these pulse widths is from 10 −4 m to 10 −7 m from the equation (10).
【0021】例えば、含まれる波長成分の最大波長から
最小波長の波長差Δλが1μm(Δtが10-14 se
c)であるフェムト秒レーザーを用いて、波長の変化率
dλ/dtを0.336m/secとする場合を考え
る。 dλ/dt = 0.336 より、 Δt=10-6/0.336 = 2.98×10-6se
c である。したがって、図1の光ファイバー13として
は、パルス幅を10-14 secから約2.98μsec
に広げることができるものを使用すればよいことが分か
る。同じフェムト秒レーザーを用いて波長の変化率dλ
/dtを1.175m/secとする場合には、 dλ/dt = 1.175 より、 Δt=10-6/1.175 = 0.85×10-6se
c である。したがって、図1の光ファイバー13として
は、パルス幅を10-14 secから約0.85μsec
に広げることができるものを使用すればよい。For example, the wavelength difference Δλ between the maximum wavelength and the minimum wavelength of the included wavelength components is 1 μm (Δt is 10 −14 se)
Consider the case where the wavelength change rate dλ / dt is set to 0.336 m / sec using the femtosecond laser of c). From dλ / dt = 0.336, Δt = 10 -6 /0.336 = 2.98 × 10 -6 se
c. Therefore, the optical fiber 13 of FIG. 1 has a pulse width of 10 −14 sec to about 2.98 μsec.
It can be seen that the one that can be spread is used. Using the same femtosecond laser, the rate of change in wavelength dλ
When / dt is 1.175 m / sec, Δt = 10 −6 /1.175 = 0.85 × 10 −6 se from dλ / dt = 1.175.
c. Therefore, for the optical fiber 13 in FIG. 1, the pulse width is 10 −14 sec to about 0.85 μsec.
What can be spread is used.
【0022】また、波長差Δλが100μm(Δtが1
0-12 sec)であるフェムト秒レーザーを用いて、波
長の変化率dλ/dtを0.336m/secとする場
合は、 dλ/dt = 0.336 より、 Δt=10-8/0.336 = 2.98×10-4se
c である。したがって、図1の光ファイバー13として
は、パルス幅を10-14 secから約298μsecに
広げることができるものを使用すればよい。同じフェム
ト秒レーザーを用いて波長の変化率dλ/dtを1.1
75m/secとする場合には、 dλ/dt = 1.175 より、 Δt=10-4/1.175 = 0.85×10-4se
c である。したがって、図1の光ファイバー13として
は、パルス幅を10-14 secから約85.1μsec
に広げることができるものを使用すればよい。Further, the wavelength difference Δλ is 100 μm (Δt is 1
When the wavelength change rate dλ / dt is set to 0.336 m / sec using a femtosecond laser of 0 −12 sec), Δt = 10 −8 /0.336 is obtained from dλ / dt = 0.336. = 2.98 × 10 −4 se
c. Therefore, as the optical fiber 13 in FIG. 1, a fiber that can widen the pulse width from 10 −14 sec to about 298 μsec may be used. Using the same femtosecond laser, the wavelength change rate dλ / dt is 1.1.
In the case of 75 m / sec, Δt = 10 −4 /1.175 = 0.85 × 10 −4 se from dλ / dt = 1.175
c. Therefore, for the optical fiber 13 of FIG. 1, the pulse width is from 10 −14 sec to about 85.1 μsec.
What can be spread is used.
【0023】以上のようにして、超音波を単一の方向だ
けに伝播させる制御が可能となる。このように特定の方
向だけに伝播する超音波は、エネルギー密度が高く、し
たがって欠陥検出に利用する場合の感度が向上するの
で、このような超音波を利用することによって、被検体
内部の欠陥の存否を検査し、また、その位置を特定する
ことが容易になる。予め長さの異なる複数の光ファイバ
ーを用意し、必要に応じてレーザーパルスを通す光ファ
イバーを交換するという簡単な操作によって、発生する
超音波の伝播方向を任意に制御することができるという
利点もある。As described above, it is possible to control the propagation of ultrasonic waves in only a single direction. The ultrasonic wave propagating only in a specific direction in this way has a high energy density, and therefore the sensitivity when used for defect detection is improved. It becomes easy to check the existence and identify the position. There is also an advantage that the propagation direction of the generated ultrasonic waves can be arbitrarily controlled by a simple operation of preparing a plurality of optical fibers having different lengths in advance and exchanging the optical fibers through which the laser pulse is passed, if necessary.
【0024】尚、本発明は上記の実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
ある。例えば、上記実施形態では、パルス幅拡大制御手
段として光ファイバーを用いたが、パルス幅拡大制御手
段として利用できるものはこれに限られず、光に対する
分散性を有する光透過材料であればよく、例えばガラス
棒などを利用することもできる。The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the invention. For example, in the above embodiment, the optical fiber is used as the pulse width expansion control means, but what can be used as the pulse width expansion control means is not limited to this, and may be any light transmissive material having light dispersibility, such as glass. You can also use a stick.
【0025】[0025]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、特定の方向に超音波を伝播させるのに必要な被検体
表面上における干渉縞の高速な走査を実現するために、
従来のように二つのレーザービームを必要とせず、単
に、フェムト秒レーザーのレーザービームのパルス幅を
拡大するためのパルス幅拡大制御手段を設けて、これに
レーザービームを通して得られる単一のレーザービーム
を回折格子に通し、この回折光を被検体に照射するすだ
けなので、装置の構成が容易となり、微妙な調整を必要
とする部分が少なくて済むとともに、パルス幅拡大制御
手段として例えば光ファイバーを利用した場合には、長
さの異なる光ファイバーを用意しておくことによって、
簡単に超音波の伝播方向を制御することが可能となるレ
ーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法を提
供することができる。As described above, according to the present invention, in order to realize the high-speed scanning of the interference fringes on the surface of the object required for propagating the ultrasonic waves in a specific direction,
It does not require two laser beams as in the past, but simply provides pulse width expansion control means for expanding the pulse width of the laser beam of the femtosecond laser, and a single laser beam obtained through this laser beam. Is passed through the diffraction grating and the diffracted light is irradiated onto the subject, which simplifies the device configuration and reduces the need for subtle adjustments, while using, for example, an optical fiber as pulse width expansion control means. If you do, by preparing optical fibers with different lengths,
A laser ultrasonic inspection apparatus and a laser ultrasonic inspection method capable of easily controlling the propagation direction of ultrasonic waves can be provided.
【図1】本発明の一実施形態であるレーザー超音波走査
の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of laser ultrasonic scanning according to an embodiment of the present invention.
【図2】分散性を有する光ファイバーに複数の周波数成
分を含むレーザーパルスを通過させたときにパルス幅が
拡大し、周波数が時間的に変化する様子を示した図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing a state in which a pulse width is expanded and a frequency is temporally changed when a laser pulse containing a plurality of frequency components is passed through an optical fiber having a dispersibility.
【図3】回折格子の一部を拡大した拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view in which a part of the diffraction grating is enlarged.
【図4】従来のレーザー超音波検査装置の概略構成図で
ある。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a conventional laser ultrasonic inspection apparatus.
【図5】異なる周波数を有する二つのレーザービームを
一点に照射したときに干渉縞が移動する様子を示した図
である。FIG. 5 is a diagram showing how interference fringes move when two laser beams having different frequencies are applied to one point.
10 レーザー光源(フェムト秒レーザー) 11,12 ミラー 13 光ファイバー 14 ビーム拡散用レンズ 15 フォーカス用レンズ 16 回折格子 17 被検体 18 マスク 20 レーザー干渉計 21 位相検波回路 22 オシロスコープ 23 通信回線(GPIB) 10 Laser Light Source (Femtosecond Laser) 11, 12 Mirror 13 Optical Fiber 14 Beam Diffusing Lens 15 Focusing Lens 16 Diffraction Grating 17 Subject 18 Mask 20 Laser Interferometer 21 Phase Detection Circuit 22 Oscilloscope 23 Communication Line (GPIB)
Claims (5)
光を発生するレーザー光源と、 前記パルスレーザー光を通過させる分散性を有する物質
からなるパルス幅拡大制御手段と、 前記パルス幅拡大制御手段を通過した前記レーザー光を
回折させ、当該回折光を被検体の表面に照射する回折格
子と、 前記回折光の照射によって前記被検体に発生した超音波
振動を検出する超音波検出手段と、 を具備することを特徴とするレーザー超音波検査装置。1. A laser light source for generating a pulsed laser beam containing a plurality of frequency components, a pulse width expansion control means made of a dispersible substance for passing the pulsed laser light, and a pulse width expansion control means. A diffraction grating that diffracts the laser light and irradiates the surface of the subject with the diffracted light; and an ultrasonic wave detection unit that detects ultrasonic vibration generated in the subject by the irradiation of the diffracted light. A laser ultrasonic inspection apparatus characterized in that
ーであることを特徴とする請求項1記載のレーザー超音
波検査装置。2. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the laser light source is a femtosecond laser.
バーであることを特徴とする請求項1又は2記載のレー
ザー超音波検査装置。3. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the pulse width expansion control means is an optical fiber.
であることを特徴とする請求項1又は2記載のレーザー
超音波検査装置。4. The laser ultrasonic inspection apparatus according to claim 1, wherein the pulse width expansion control means is a glass rod.
光を、分散性を有するパルス幅拡大制御手段を通過させ
ることによって周波数が時間的に所定の割合で変化する
パルスレーザー光とし、このパルスレーザー光を被検体
前面に配置した回折格子に入射させることによって回折
されたレーザー光が前記被検体表面に形成する干渉縞を
移動させ、この干渉縞の移動速度を前記周波数変化の割
合に基づいて制御することによってレーザー光の照射に
より発生する超音波の伝播方向を選択し、この超音波を
検出することによって、前記被検体中の欠陥を検査する
ことを特徴とするレーザー超音波検査方法。5. A pulsed laser beam containing a plurality of frequency components is passed through a pulse width expansion control means having dispersibility to obtain a pulsed laser beam whose frequency changes at a predetermined rate with time. Is incident on a diffraction grating arranged on the front surface of the subject to move the interference fringes formed by the laser light diffracted on the surface of the subject, and the moving speed of the interference fringes is controlled based on the ratio of the frequency change. A laser ultrasonic inspection method characterized in that the defect in the subject is inspected by selecting the propagation direction of the ultrasonic wave generated by the irradiation of the laser beam and detecting the ultrasonic wave.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066145A JPH09257755A (en) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066145A JPH09257755A (en) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257755A true JPH09257755A (en) | 1997-10-03 |
Family
ID=13307414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8066145A Withdrawn JPH09257755A (en) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | Laser ultrasonic inspection apparatus and laser ultrasonic inspection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09257755A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006300792A (en) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Kobe Steel Ltd | Interferometer, Fourier spectrometer |
| CN100370241C (en) * | 2004-12-10 | 2008-02-20 | 华南师范大学 | Underwater metal detection method and device |
| JP2011107119A (en) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | Circuit pattern defect inspection method of substrate |
| US8342028B2 (en) | 2009-06-23 | 2013-01-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoacoustic measurement apparatus |
| WO2013004068A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-10 | 烟台富润实业有限公司 | Contact laser ultrasonic probe device |
-
1996
- 1996-03-22 JP JP8066145A patent/JPH09257755A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100370241C (en) * | 2004-12-10 | 2008-02-20 | 华南师范大学 | Underwater metal detection method and device |
| JP2006300792A (en) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Kobe Steel Ltd | Interferometer, Fourier spectrometer |
| US8342028B2 (en) | 2009-06-23 | 2013-01-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoacoustic measurement apparatus |
| JP2011107119A (en) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | Circuit pattern defect inspection method of substrate |
| WO2013004068A1 (en) * | 2011-07-01 | 2013-01-10 | 烟台富润实业有限公司 | Contact laser ultrasonic probe device |
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