JPH09257755A - レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 - Google Patents
レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法Info
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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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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。
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。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
の概略構成図である。
【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。
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。
【図３】回折格子の一部を拡大した拡大図である。
【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。
ある。
【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。
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。
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）
Claims (5)
- 【請求項１】 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レーザー超音波検査装置。 - 【請求項２】 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請求項１記載のレーザー超音
波検査装置。 - 【請求項３】 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請求項１又は２記載のレー
ザー超音波検査装置。 - 【請求項４】 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請求項１又は２記載のレーザー
超音波検査装置。 - 【請求項５】 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
ことを特徴とするレーザー超音波検査方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066145A JPH09257755A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8066145A JPH09257755A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09257755A true JPH09257755A (ja) | 1997-10-03 |
Family
ID=13307414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8066145A Withdrawn JPH09257755A (ja) | 1996-03-22 | 1996-03-22 | レーザー超音波検査装置及びレーザー超音波検査方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09257755A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006300792A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Kobe Steel Ltd | 干渉計，フーリエ分光装置 |
| CN100370241C (zh) * | 2004-12-10 | 2008-02-20 | 华南师范大学 | 水下金属物探测方法及其装置 |
| JP2011107119A (ja) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 基板の回路パターン欠陥検査方法 |
| US8342028B2 (en) | 2009-06-23 | 2013-01-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoacoustic measurement apparatus |
| WO2013004068A1 (zh) * | 2011-07-01 | 2013-01-10 | 烟台富润实业有限公司 | 接触式激光超声探头装置 |
-
1996
- 1996-03-22 JP JP8066145A patent/JPH09257755A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100370241C (zh) * | 2004-12-10 | 2008-02-20 | 华南师范大学 | 水下金属物探测方法及其装置 |
| JP2006300792A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Kobe Steel Ltd | 干渉計，フーリエ分光装置 |
| US8342028B2 (en) | 2009-06-23 | 2013-01-01 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoacoustic measurement apparatus |
| JP2011107119A (ja) * | 2009-11-16 | 2011-06-02 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 基板の回路パターン欠陥検査方法 |
| WO2013004068A1 (zh) * | 2011-07-01 | 2013-01-10 | 烟台富润实业有限公司 | 接触式激光超声探头装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030603 |