金属材料的特性测定装置

摘要

本发明包括：激光振荡器，该激光振荡器射出脉冲激光；透镜阵列，该透镜阵列具有呈矩阵状地铺设在与脉冲激光的光轴垂直的面上的多个相同形状的小透镜，并且配置成在射束截面上对脉冲激光进行分割后得到的一部分脉冲激光被入射到各个小透镜上；聚焦透镜，该聚焦透镜使来自透镜阵列的多个小透镜的出射光重叠并聚焦在测定对象的金属材料表面的同一区域；激光干涉仪，该激光干涉仪将经聚焦透镜聚焦后的脉冲激光所激励出的、并在金属材料内部传播的脉冲超声波检测为电信号；以及信号处理装置，该信号处理装置对电信号进行处理。

权利要求

1.一种金属材料的特性测定装置，其特征在于，包括：激光振荡器，该激光振荡器射出脉冲激光；

透镜阵列，该透镜阵列具有呈矩阵状地铺设在与所述脉冲激光的光轴垂直的面上的多个相同形状的小透镜，并且被配置成在射束截面上对所述脉冲激光进行分割后得到的一部分脉冲激光入射到多个所述小透镜的每一个上；

聚焦透镜，该聚焦透镜以使得至少在聚焦束点上具有产生烧蚀所需的光量密度的方式，使来自所述透镜阵列的多个所述小透镜的出射光重叠并聚焦在测定对象的金属材料表面的同一区域；

激光干涉仪，该激光干涉仪将经所述聚焦透镜聚焦后的所述脉冲激光所激励出的、在所述金属材料的内部传播的脉冲超声波检测为电信号；以及信号处理装置，该信号处理装置对所述电信号进行处理。

2.如权利要求1所述的金属材料的特性测定装置，其特征在于，在所述激光振荡器与所述透镜阵列之间还包括波长转换结晶，该波长转换结晶对从所述激光振荡器射出的所述脉冲激光的波长进行转换。

3.如权利要求1所述的金属材料的特性测定装置，其特征在于，所述激光干涉仪对所述脉冲超声波的纵波分量的重复反射回声进行检测。

说明书

金属材料的特性测定装置

技术领域

[0001] 本发明涉及使用激光的金属材料的特性测定装置。

背景技术

[0002] 近年来，金属材料的强度、成形性等特性得到了显著的提高。在制造工序及检查工序中、对金属材料的特性以及与金属材料的特性紧密相关的各种特性进行测定的必要性也随之提高。

[0003] 例如，已知金属材料的强度与结晶粒径之间具有较强的关联，因而若将结晶粒径从几十μｍ减小到1μｍ左右，则能获得不仅强度高、而且成形加工性、再利用性也较为优异的高性能的金属材料。这种金属材料的品质管理大多通过破坏性试验来进行。例如，从轧制后的成品线圈上切割出试验片，并通过拉伸试验等来确认强度。然而，若采用这种方法，则直到获得测定值之前的前置时间会长达几小时～几天，在此期间将无法防止不良品的持续产生。

[0004] 对此，尝试利用激光超声波法对金属材料的特性进行测定（例如，参照专利文献1）。激光超声波法是进行如下动作的方法：对金属材料的表面照射脉冲激光，并对此时所产生的高频的脉冲状超声波（以下称为“脉冲超声波”）在金属材料中的传播行为进行分析，从而以非接触的方式对金属材料的结晶粒径等特性进行测定。利用该方法能迅速地获得测定结果。

[0005] 利用脉冲超声波的传播行为所检测到的金属材料的特性例如为结晶粒径、弹性模量、成形性（r值）、弹性波速等各种特性。此外，已知金属材料的结晶粒径与拉伸强度、屈服强度以及屈服伸长性之间具有较强的相关性，利用与金属材料的结晶粒径的测定方法相同的测定方法，也能获得这些特性值。

[0006] 现有技术文献

[0007] 专利文献

[0008] 专利文献1：日本专利特开2008－116209号公报

发明内容

[0009] 发明所要解决的技术问题

[0010] 在使用激光超声波法的金属材料的特性测定过程中，在脉冲超声波在金属材料内部传播的期间，不仅因为测定金属材料的特性时所利用的“（i）因晶界上的散射而引起的脉冲超声波的衰减”，还由于“（ii）脉冲超声波向前进方向以外的方向的扩散”也会导致脉冲超声波的振幅减小。若脉冲超声波的振幅减小，则信噪比会变差，使得特性测定装置的测定精度下降。

[0011] 因此，为了更准确地对由晶界上的散射引起的脉冲超声波的衰减进行检测，需要对脉冲超声波的扩散进行抑制。为了抑制脉冲超声波的扩散，已有增大脉冲激光的束点尺寸的方法。即，在束点的外周部，振动会受到周围金属材料的约束，因此脉冲超声波的前进方向会发生变化，从而产生扩散，但若增大束点尺寸，则能相对地减小外周部所造成的影响，因而能够抑制脉冲超声波向前进方向以外的方向扩散。

[0012] 然而，若仅仅扩大从通常的激光振荡器射出的脉冲激光来进行照射，则无法获得足够的效果，由此产生问题。也就是说，从激光振荡器射出的脉冲激光的射束截面内的光量分布（射束分布）通常是不均匀的，且射束中心附近的光量比周边要大。因此，若仅仅扩大脉冲激光来增大束点尺寸，则在金属材料的束点中央部分激励出的脉冲超声波的振幅较大，而在束点周边部分激励出的脉冲超声波的振幅则较小。

[0013] 该脉冲超声波的振幅差将导致脉冲超声波的传播方向无法统一在与脉冲激光的照射面垂直的方向上，如同束点尺寸较小的情况那样、脉冲超声波会向周边扩散。因此，脉冲超声波的振幅会随着传播距离的增加而显著减小，使得所检测的脉冲超声波的波形的信噪比变差。其结果是，产生测定精度下降的问题。

[0014] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种抑制测定精度下降且使用脉冲激光的金属材料的特性测定装置。

[0015] 解决技术问题所采用的技术方案

[0016] 根据本发明的一个实施方式，提供了一种金属材料的特性测定装置，包括：（1）激光振荡器，该激光振荡器射出脉冲激光；（2）透镜阵列，该透镜阵列具有呈矩阵状地铺设在与脉冲激光的光轴垂直的面上的多个相同形状的小透镜，并且配置成在射束截面上对脉冲激光进行分割后得到的一部分脉冲激光被入射到各个小透镜上；（3）聚焦透镜，该聚焦透镜使来自透镜阵列的多个小透镜的出射光重叠并聚焦在测定对象的金属材料表面的同一区域；（4）激光干涉仪，该激光干涉仪将经聚焦透镜聚焦后的脉冲激光所激励出的、并在金属材料内部传播的脉冲超声波检测为电信号；以及（5）信号处理装置，该信号处理装置对电信号进行处理。

[0017] 发明效果

[0018] 根据本发明，能够提供一种抑制测定精度下降且使用脉冲激光的金属材料的特性测定装置。

附图说明

[0019] 图1是表示本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置的结构的示意图。

[0020] 图2是表示本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置所具有的透镜阵列的结构例的示意图，图2(a)是俯视图，图2(b)是沿图2(a)的IIb-IIb方向的剖视图，图2(c)是沿图2(a)的IIc-IIc方向的剖视图。

[0021] 图3是表示本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置中的聚焦束点的形状的示例的照片。

[0022] 图4是表示在测定对象的金属材料内部所激励出的脉冲超声波的检测波形的示例的曲线图。

[0023] 图5是表示从活塞式声源发出的脉冲超声波进行扩散时的形态的示意图。

[0024] 图6是表示脉冲激光的光量分布的示例的曲线图，图6(a)表示高斯分布，图6(b)表示均匀分布。

[0025] 图7是用于对本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置所采用的波形分析方法的示例进行说明的流程图。

[0026] 图8是表示由本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置所检测到的脉冲超声波的检测波形的示例的曲线图。

[0027] 图9是表示本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置的其它结构的示意图。

[0028] 图10是表示本发明的实施方式2所涉及的金属材料的特性测定装置的结构的示意图。

[0029] 图11是表示脉冲激光的射束分布随时间变化的照片，图11(a)是表示随时间变化前的射束分布的照片，图11(b)是表示随时间变化后的射束分布的照片。

具体实施方式

[0030] 接着，参照附图，说明本发明的实施方式1和2。在下面的附图的记载中，对同一或者类似的部分标注同一或者类似的标记。以下示出的实施方式1和2是对用于将本发明的技术思想具体化的装置或方法的举例，本发明的实施方式的构成器件的构造、配置等不限于下述结构。本发明的实施方式可以在权利要求的范围内进行各种变更。

[0031] (实施方式1)

[0032] 如图1所示，本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置1包括：射出脉冲激光Lp的激光振荡器10；具有多个形状相同的小透镜Ls的透镜阵列20，该小透镜Ls矩阵状地铺设在与脉冲激光Lp的光轴垂直的面上；聚焦透镜30，该聚焦透镜30使来自多个小透镜Ls的出射光Ld重合并聚焦于测定对象的金属材料100的表面101的同一区域；以及分析装置40，该分析装置40对照射出出射光Ld并在金属材料100的内部传播的脉冲超声波SW进行分析。将与脉冲激光Lp的光轴垂直的射束截面分割后得到的一部分分别射入到透镜阵列20的多个小透镜Ls上，使得多个小透镜Ls分别射出在与光轴垂直的射束截面上的形状彼此相同的出射光Ld。

[0033] 在图1所示的特性测定装置1中，向金属材料100的表面101照射脉冲激光Lp来引起小规模的碰撞，从而在金属材料100中激励出脉冲超声波SW。该脉冲超声波SW在金属材料100内传播的同时发生衰减，呈现为金属材料100的背面102上的微小振动，该背面102与被脉冲激光Lp照射的表面101相对。

[0034] 分析装置40的检测装置将该微小振动检测为电信号。图1是采用激光干涉仪41作为检测装置的示例。激光干涉仪41将由经聚焦透镜30聚焦后的脉冲激光Lp激励出的、并在金属材料100的内部传播的脉冲超声波检测为电信号。具体而言，激光干涉仪41对金属材料100的背面102照射微弱的检测用激光Lf，并使检测用激光Lf中的来自金属材料100的反射光与基准光进行干涉，由此将出现在金属材料100的背面102上的微小振动检测为电压的变化。分析装置40的信号处理装置42对由激光干涉仪41检测到的电信号进行处理，从而测定出金属材料100的特性。例如，经由数字示波器421将所检测到的电信号读取到信号处理计算机422中，并通过波形分析来判定金属材料100的特性。

[0035] 以下，对图1所示的特性测定装置1进行详细说明。

[0036] 作为激光振荡器10，例如可以采用大输出且特性稳定的Q开关固体脉冲激光器。特别是使用掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）作为振荡用固体介质、且脉冲宽度为几ns～几十ns左右的Q开关固体脉冲激光器被广泛应用于工业用途，适用于激光振荡器10。

[0037] 从激光振荡器10发出的脉冲激光Lp通常只具有很小的扩散角。因此，利用由凹透镜111和凸透镜112组合而成的放大系统11使脉冲激光Lp大致成为平行光，并入射到透镜阵列20。

[0038] 透镜阵列20的结构例如图2(a)～图2(c)所示。透镜阵列20具有如下结构：即，将相同形状的多个小透镜Ls铺设在与入射的脉冲激光Lp的光轴垂直的面上，图2示出了将n个正方形的小透镜Ｌｓ1～Ｌｓｎ配置成矩阵状的示例。图2(a)中，由阴影覆盖的区域是被脉冲激光Lp的射束照射的区域，脉冲激光Lp的射束直径为Db。

[0039] 除了正方形以外，小透镜Ls可以采用长方形、六边形以及圆形等中的任意形状。然而，若小透镜Ls之间存在间隙，则聚焦效率会下降，因此，优选以没有间隙的方式将小透镜Ls配置成透镜阵列20。图2(c)所示的小透镜Ls的间隔w确定为，使得所入射的脉冲激光Lp的射束截面内包含有如后述那样的足够数量的小透镜Ls。这里，“小透镜Ls的间隔”是指相邻的小透镜Ls的中心间的距离。

[0040] 若将脉冲激光Lp入射到激光阵列20，则配置成包含在脉冲激光的射束截面内的、构成透镜阵列20的各个小透镜Ls上分别入射有对射束截面进行分割后得到的脉冲激光Lp的一部分，各个小透镜Ls所成的像为小透镜Ls的形状（例如正方形）。无论入射到透镜阵列20的脉冲激光Lp的射束截面内的光量分布（射束分布）是何种分布，由脉冲激光Lp的极小部分所产生的各小透镜Ls的出射光Ld都具有均匀的光量分布。

[0041] 从透镜阵列20射出的各出射光Ld通过凸透镜的聚焦透镜30而聚焦在金属材料100的表面101。此外，聚焦透镜30的焦距大致与相隔距离SD（聚焦透镜30与金属材料100的表面101的间隔）相等。

[0042] 并且，由多个小透镜Ls产生的各个像重叠投影在聚焦透镜30的焦点位置、即金属材料100的表面101的一个点上。由此，对脉冲激光Lp进行了变形，以使得被形状与小透镜Ls相同（例如正方形）且光量分布均匀的多个脉冲激光照射的聚焦束点SP形成在金属材料100的表面101上。聚焦束点SP的形状与小透镜Ls的形状相同，大小则由聚焦透镜30的焦距来决定。

[0043] 在该聚焦束点SP内，由多个小透镜Ls投影而成的像相重叠，因此会产生明暗的干涉条纹。然而，若使相重叠的像的数量增加得足够多，则能显著减小该干涉条纹的间隔，从而能在聚焦束点SP内获得大致均匀的光量分布。若相重叠的像的数量下降15个，则干涉条纹对在金属材料100内传播的脉冲超声波SW的波形所产生的影响有时无法忽视，而且，光量均匀化的效果有时会不够充分。因此，将透镜阵列20中的小透镜Ls的间隔设定成使得所入射的脉冲激光Lp的射束截面内含有15以上的小透镜Ls。

[0044] 透镜阵列20的焦点距离通过试验或光线跟踪模拟计算来决定，以使得形成在金属材料100的表面101的聚焦束点SP的大小达到所期望的值。从实用角度而言，透镜阵列20的焦距大致与相隔距离SD相等，因此为相隔距离SD的十分之一左右的范围。由于透镜阵列20的制造存在各种限制，因此会存在无法获得所期望的焦距的小透镜Ls的情况。对于该情况，可以将多个透镜阵列20组合起来进行配置。

[0045] 由于脉冲激光Lp的光量密度的峰值较大，因此对于透镜阵列20的原材料，例如石英玻璃等损伤阈值较高的玻璃制的透镜阵列较为合适。然而，因对金属材料100的特性测定所需的波长、输出的不同，也可以采用塑料制的透镜阵列20等。

[0046] 图3示出了将金属材料100的表面101上的聚焦束点SP的形状印刷记录在烧纸（burn paper）上的示例。图3是通过将射束直径Db为14mm的脉冲激光Lp入射到透镜阵列20上从而形成的聚焦束点SP的形状，其中该透镜阵列20以1.1mm的间隔将小透镜Ls配置成18行18列的矩阵状。因此，图3是将大约127个小透镜Ls的像相重叠后得到的示例。聚焦束点SP的形状是与透镜阵列20的小透镜Ls的形状相同的正方形，可知小透镜Ls的形状进行了较好的重叠并投影。在图3所示的示例中，聚焦束点SP的尺寸Ds为4.5mm。

[0047] 由于脉冲激光Lp对聚焦束点SP的照射从而在金属材料100中激励出了脉冲超声波SW，该脉冲超声波SW在金属材料100内进行传播。如图4所示，在金属材料100中激励出的脉冲超声波SW具有各种振动模式的分量。例如在金属材料100的结晶粒径的测定中利用纵波分量的重复反射回声（图4中箭头标记所示的波形的尖端部分）。图4中，波形E1、E2、E3分别是纵波的第一回声、第二回声和第三回声。

[0048] 另外，图4中，纵轴表示相对振幅（单位a.u.：Arbitrary Unit：任意单位）。横轴是从射出脉冲激光Lp起的经过时间。在射出脉冲激光Lp后，在脉冲超声波SW最初到达金属材料100的背面102的时刻，检测出第一回声。然后，在背面102上反射以后，在表面101再一次反射回来的脉冲超声波SW到达背面102的时刻，检测出第二回声以后的反射回声。因此，到检测出第一回声为止的时间对应于金属材料100的厚度，检测出之后的各个回声的间隔对应于金属材料100的厚度的两倍。

[0049] 这里，参照图5对在金属材料100内部传播的脉冲超声波SW进行说明。图5是表示从平板状的活塞式声源500发出的脉冲超声波SW进行扩散的形态的示意图。

[0050] 在由活塞式声源500发出脉冲超声波SW的情况下，以平面波Wp的形式直线前进的区域称为近声场（菲涅耳区），脉冲超声波SW的直线前进的距离（近声场极限距离x）由下式（1）表示：

[0051] ｘ＝ｄ2／（4λ）···（1）

[0052] 式（1）中，d为活塞式声源500的直径，相当于照射在金属材料100上的脉冲激光Lp的束点尺寸。λ是脉冲超声波SW的波长（mm）。

[0053] 另一方面，比近声场极限距离x更远的区域称为远声场，脉冲超声波SW

[0054] 以球面波Ws的形式进行扩散。在远声场中，脉冲超声波SW的振幅与结晶粒径等材质特性无关，而与传播距离的平方成比例地迅速减小。因此，为了清楚地检测到波形分析时使用的脉冲超声波SW，而增大束点尺寸，并优选使其大于近声场极限距离x。

[0055] 例如，若在测定厚度为2mm的钢材的粒径时，从钢材的背面检测到重复反射的第一～第五回声的波形，则第五回声的传播距离由下式（2）来表示：

[0056] 2（ｍｍ）×(1＋4×2（往返）)＝18（ｍｍ）···（2）

[0057] 由于钢材的纵波超声波的传播速度v约为5900ｍ／ｓ，因此30MHz的纵波超声波的波长λ＝ｖ／ｆ为0.197ｍｍ。因此，根据式（1），可知若在波形分析中使用30MHz以上的频率分量，则优选使束点尺寸的直径在4mm左右以上。

[0058] 上述数值为设计上的目标，而实际上，根据测定目的的不同，允许一定程度的信噪比的劣化，因而有时即使使用更小的束点尺寸也没有问题。此外，通过利用表示振幅因扩散而变小的已知公式等、来对超声波波形进行修正，从而即使在束点尺寸更小的情况下，有时也能清楚地检测出超声波回声。

[0059] 另一方面，关于对脉冲超声波SW的扩散的抑制，并未特别对束点尺寸的上限进行限制。然而，根据激光振荡器10的输出的不同，存在着能确保在金属材料100的表面101发生烧蚀所需的光量密度的束点尺寸的上限值，因此只要在该上限值以下即可。因此，并不需要特意根据金属材料100的厚度等来调整束点尺寸的上限。

[0060] 上述对脉冲超声波SW的扩散的探讨以平板状的活塞式声源500为前提。然而，从激光振荡器10射出的脉冲激光Lp在射束截面内的光量分布（射束分布）不一定要是均匀的。尤其是对于工业用途中广泛利用的激光振荡器的脉冲激光的光量分布，是射束中心附近的光量较大、利用凸透镜的聚焦性良好的“高斯分布（正态分布）”，或近似于“高斯分布（正态分布）”的分布。当射束分布是如图6(a)所示的高斯分布时，与图6(b)所示的射束分布是均匀分布的情况相比，射束中心附近的光量与周边的光量的差较大。另外，图6(a)、图6(b)的纵轴表示光量，横轴表示聚焦束点内的位置。

[0061] 在如上述那样以足够大的束点尺寸将具有高斯分布的脉冲激光聚焦到金属材料100的表面101的情况下，通常会经过由多枚透镜构成的缩小光学系统。在该情况下，聚焦束点内的光量分布直接投影出从激光振荡器射出的脉冲激光的光量分布。因此，在聚焦束点中央部分激励出的超声波回声的振幅较大，相反，在聚焦束点周边部分激励出的超声波回声的振幅则较小。如上述说明的那样，该振幅差使得脉冲超声波如束点尺寸较小的情况那样、向周边扩散。其结果是，由激光干涉仪所检测出的超声波波形的信噪比将变差，使得测定精度下降。

[0062] 然而，根据图1所示的特性测定装置1，构成透镜阵列20的多个小透镜Ls将具有均匀光量分布的像重叠并投影在聚焦透镜30的焦点位置上。因此，脉冲激光Lp在金属材料100的表面101上与小透镜Ls的形状相同，且具有均匀的光量分布，并被变形成形成图6(b)所示那样的光量分布的聚焦束点。

[0063] 因此，能将由脉冲激光Lp在金属材料100中激励出的脉冲超声波SW的扩散抑制得较小。其结果是，脉冲超声波SW的振幅不易随着传播距离的增大而减小。

[0064] 由脉冲激光Lp所激励出的脉冲超声波SW在金属材料100内传播，并由激光干涉仪41将出现在金属材料100的背面102的微小振动检测为电信号。由于如上述那样对脉冲超声波SW的振幅的减小进行了抑制，因此提高了由激光干涉仪41所检测的超声波波形的信噪比，因而能获得良好的测定精度。

[0065] 对于激光干涉仪41，即使金属材料100的表面101是粗糙表面，也可以采用能测定高频振动的光折变干涉仪。或者，由于法布里-珀罗干涉仪也能在粗糙表面上测定高频振动，因此也同样可以采用。此外，若金属材料100的表面101为镜面，则也可以采用迈克尔逊干涉仪等。

[0066] 将激光干涉仪41所检测到的电压波形收录到例如数字示波器421中，并利用信号处理计算机422进行分析，从而能对金属材料100的特性进行测定。

[0067] 在金属材料100内传播的纵波超声波在晶粒中的散射所产生的衰减率会根据纵波超声波的频率以及金属材料100的结晶粒径的不同而有所不同。例如，已知有瑞利散射、随机散射等。

[0068] 以下参照图7所示的流程图对基于散射衰减的波形分析方法的实例进行说明。

[0069] 在步骤S2中利用傅里叶变换等将在图7的步骤S1中读取到的波形数据分解成各频率分量。接着，在步骤S3中，在各个频率分量中提取出各纵波回声。在步骤S4中，利用对数函数对所提取出的纵波回声的振幅变化进行近似，从而计算出各频率分量的衰减率α（f）。

[0070] 衰减率α、频率f以及结晶粒径D具有下式（3）的相关关系：

[0071] α＝Ｋ×Ｄn-1×ｆn···（3）

[0072] 式（3）中，α为衰减率（ｄＢ／ｍｍ），D为结晶粒径（mm），f为频率（MHz），K和n为系数。

[0073] 若将式（3）变形，则可得到下式（4）：

[0074] Ｄ＝｛α／（Ｋ×ｆn）｝1/(n-1)···（4）

[0075] 在步骤Ｓ5中，基于某一频率ｆ的衰减率α（f）并利用式（4）来判定结晶粒径。另外，系数Ｋ、ｎ的值是通过对结晶粒径已知的实验材料进行测定的试验而预先确定的。系数ｎ的值理论上是根据结晶粒径Ｄ与波长λ的比Ｄ／λ来确定的。即，在瑞利散射区（0．03≦Ｄ／λ≦0．3）中为ｎ＝4，而在随机散射区（0．3≦Ｄ／λ≈1）中为ｎ＝3。

[0076] 图8是由实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置1所检测到的超声波的波形的一个示例。图8中，纵轴表示相对振幅（单位a.u.：Arbitrary Unit：任意单位）。横轴是从射出脉冲激光Lp起的经过时间。测定对象的金属材料100是板厚为1.35ｍｍ的钢板，且结晶粒径约为4μｍ。能从纵波的第一回声（波形E1）到第十三回声（波形E13）为止清楚地检测到由激光干涉仪41所检测到的超声波波形。

[0077] 如上所述，根据本发明的实施方式1所涉及的金属材料的特性测定装置1，能够使照射在测定对象的金属材料100上的脉冲激光在射束截面内的光量分布均匀。因此，使得在金属材料100中激励出的脉冲超声波SW的扩散得到了抑制。其结果是，提供出一种对测定精度的下降进行抑制且使用脉冲激光的金属材料的特性测定装置1。

[0078] 另外，聚焦透镜30与透镜阵列20的位置关系也可以对图1所示的示例进行前后互换。即，可以将透镜阵列20配置在激光振荡器10与聚焦透镜30之间，或者也可以将聚焦透镜30配置在激光振荡器10与透镜阵列20之间。

[0079] 图9示出了聚焦透镜30配置在激光振荡器10与透镜阵列20之间的示例。利用图9所示的特性测定装置1，也能通过聚焦透镜30使分别由透镜阵列20的多个小透镜Ls输出的出射光Ld聚焦到测定对象的金属材料100的表面101的同一区域中。

[0080] 此外，如图1、图9所示，在透镜阵列20及聚焦透镜30与金属材料100之间设置有窗板51。窗板51设置在壳体50上，用于将脉冲激光Lp从放置了激光振荡器10、透镜阵列20以及聚焦透镜30的壳体50射出到外部。

[0081] 为了提高以激光振荡器为代表的透镜、反射镜等光学设备的光学效率，大多采用特殊的原材料，或预先实施特殊的涂敷处理，若粘上灰尘等，则容易产生损伤，或导致光学效率下降。为此，通常将整个设备收纳在密闭度较高的壳体中，并经由窗板来射出激光。

[0082] 然而，对于在实际的生产线中设置窗板的情况，有时会在该窗板上附着液体、粉末等。在该情况下，窗板的该部分的透过率会下降。若激光照射到透过率下降的部分，则激光的能量会被吸收从而发热，造成窗板的该部分产生损伤。并且，若继续照射激光，则损伤会发展、扩大。产生这种损伤后，在现有的聚焦系统中，损伤部分可以说是起到了遮光掩膜的作用，使得聚焦束点的形状内的光量分布变得不均匀。

[0083] 与此相对，在图1、图9所示的特性测定装置1中，能使脉冲激光的光量分布在金属材料100的表面101的聚焦束点SP内均匀。即，即使由于窗板51上附着了液体、粉末等的部分受到损伤而导致通过窗板51的脉冲激光Lp的射束分布变差，也能将在金属材料100中激励出的脉冲超声波SW的扩散抑制得较小。其结果是，脉冲超声波SW的振幅不易随着传播距离的增大而减小，由激光干涉仪41检测的超声波波形的信噪比几乎不发生变化。也就是说，即使窗板51受到了损伤，也能维持良好的测定精度。因此，即使窗板51受到了损伤，也无需立即更换，只要配合生产日程上的空闲期间来更换窗板51即可。因此，能避免特性测定装置1的工作效率的下降。

[0084] (实施方式2)

[0085] 如图10所示，本发明的实施方式2所涉及的金属材料的特性测定装置1与图1所示的实施方式1的不同点在于，还具备波长转换结晶60，该波长转换结晶60对从激光振荡器10射出的脉冲激光Lp的波长进行转换。其他结构与实施方式1相同。

[0086] 对于金属材料100的经研磨后的表面101上的激光吸收率，波长越短，吸收率越大。因此，利用波长转换结晶60将从激光振荡器10射出的脉冲激光Lp转换为短波长，然后将其照射到金属材料100上，由此能在研磨面等反射率较高的金属材料上、激励出与同一脉冲激光输出相比、振幅更大的脉冲超声波SW。

[0087] 根据图10所示的特性测定装置1，利用波长转换结晶60将从激光振荡器10射出的脉冲激光Lp转换为更短的波长后，将其照射到金属材料100上。由于波长越短，金属材料100的表面101上的脉冲激光的吸收率越大，因此能在研磨面等上激励出与同一脉冲激光输出相比、振幅更大的脉冲超声波SW。例如，利用LBO(LiB3O5)或KTP(KTiOPO4)等波长转换结晶60将波长为1064nm的来自Nd:YAG激光的脉冲激光Lp转换为波长为532nm或355nm的脉冲激光Lp，并照射到金属材料100的表面101上。

[0088] 通常，为了防止波长转换结晶60受到损伤，将入射到波长转换结晶60中的脉冲激光Lp的光量密度控制在损伤阈值以下。因此，若所使用的脉冲激光Lp的输出较大，则需要使用尺寸较大的波长转换结晶60，并增大入射的脉冲激光Lp的射束直径。

[0089] 然而，若使用尺寸较大的波长转换结晶60，则由于结晶内的温度不均或随时间的变化，将产生从波长转换结晶60射出的激光的射束分布变差的问题。例如，图11(a)和图11(b)示出了将YAG激光的波长转换为532nm时的射束分布随时间的变化的示例。图11(a)是刚开始使用后的射束分布，图11(b)是经过了10个月后的射束分布。

[0090] 在图11(b)中，混合有光量较大的区域D1和光量较小的区域D2等，若将图11(a)与图11(b)进行比较，可知射束分布会随时间产生较大的变化。这种射束分布的劣化会对金属材料10中激励出的脉冲超声波SW的扩散状况造成不可忽视的影响。也就是说，超声波振幅会随着传播距离的增加而显著减小，由激光干涉仪41所检测的超声波波形的信噪比会变差。其结果是，将产生测定精度下降的问题。

[0091] 与此相对，根据图10所示的特性测定装置1，即使由于波长转换结晶60随时间的变化或温度不均等而使得射束分布变差，也能使金属材料100的表面101的聚焦束点SP上的脉冲激光的光量分布均匀。因此，能将金属材料100中激励出的脉冲超声波SW的扩散抑制得较小。其结果是，脉冲超声波SW的振幅不易随着传播距离的增大而减小，从而提高了由激光干涉仪41所检测的超声波波形的信噪比，因而能获得良好的测定精度。

[0092] 其它方面与实施方式1实质相同，因而省略重复的描述。

[0093] 如上所述，通过实施方式1和2说明了本发明，但构成本公开内容的一部分的论述及附图不应理解为是限定本发明。根据本公开内容，本领域技术人员可以想到各种代替的实施方式、实施例及运用技术。即，本发明理所应当包含此处没有记载的各种实施方式等。所以，根据上述说明，本发明的技术范围仅由适当的权利要求所涉及的发明的技术特征决定。

[0094] 工业上的实用性

[0095] 本发明的金属材料的特性测定装置能够适用于以非接触的方式来测定金属材料特性的制造业。

[0096] 标号说明

[0097] 1   特性测定装置

[0098] 10  激光振荡器

[0099] 11  放大系统

[0100] 20  透镜阵列

[0101] 30  聚焦透镜

[0102] 40  分析装置

[0103] 41  激光干涉仪

[0104] 42  信号处理装置

[0105] 50  壳体

[0106] 51  窗板

[0107] 60  波长转换结晶

[0108] 100 金属材料

[0109] 101 表面

[0110] 102 背面

[0111] 111 凹透镜

[0112] 112 凸透镜

[0113] 421 数字示波器

[0114] 422 信号处理计算机