01
Wstęp
Technologia detekcji optycznej odgrywa kluczową rolę w laserowych testach ultradźwiękowych (LUT) i ma przewagę nad tradycyjnymi czujnikami piezoelektrycznymi. Bezkontaktowa detekcja optyczna nie zakłóca pola ultradźwiękowego i umożliwia szybkie przemieszczanie się punktów detekcji z dużą dokładnością przestrzenną. Detekcja optyczna obejmuje szeroki zakres częstotliwości w-pasmach wysokich częstotliwości, dzięki czemu jest w stanie identyfikować i analizować fale ultradźwiękowe. Z kolei czujniki piezoelektryczne stoją przed wyzwaniami w zakresie wykrywania-sygnałów o wysokiej częstotliwości ze względu na ograniczenia właściwości materiału. Jednakże czułość detekcji optycznej znacznie maleje w przypadku obiektów rozproszonych. Wpływ fal ultradźwiękowych na wiązkę światła można głównie podzielić na modulację natężenia oraz modulację fazy lub częstotliwości. Ze względu na niezwykle wysoką częstotliwość światła fotodetektory prądowe nie mogą bezpośrednio mierzyć fazy światła, a jedynie wykrywać natężenie światła. Aby uzyskać informację fazową wiązki światła, wiązkę należy zmodulować w celu przekształcenia informacji fazowej w informację o natężeniu, która następnie jest odzyskiwana poprzez demodulację.
02
Techniki modulacji intensywności
Techniki modulacji intensywności pozyskują dane dotyczące wibracji i przemieszczeń powierzchni poprzez monitorowanie wahań natężenia światła. Podejście to obejmuje przede wszystkim techniki pomp-sond, techniki odchylania optycznego i techniki dyfrakcji siatek powierzchniowych. Techniki pomp-sondowania są wykorzystywane do charakteryzowania ultraszybkiej dynamiki i reakcji akustycznych w skali mikro- do nano. Jak pokazano na rysunku 1, zasada polega na wykorzystaniu światła pompy o wysokiej-energii do wywołania w materiale przejściowej deformacji termoelastycznej lub impulsów ultradźwiękowych-o wysokiej częstotliwości, a następnie próbkowaniu za pomocą światła sondy o kontrolowanym opóźnieniu. Zaburzenia współczynnika załamania światła lub przemieszczenia spowodowane przez ultradźwięki zmieniają charakterystykę odbicia światła sondy. Dostosowując opóźnienie czasowe między dwoma impulsami za pomocą mechanicznego stopnia translacji, system może rejestrować dynamiczną ewolucję ultradźwięków w skali pikosekundowej lub femtosekundowej. Techniki odchylania optycznego wykrywają lokalne przechyły geometryczne wywołane powierzchniowymi falami akustycznymi. Kiedy ultradźwięki przechodzą przez punkt detekcji, niewielkie nachylenie powierzchni powoduje przestrzenne ugięcie odbitej wiązki światła. Wprowadzenie przeszkód fizycznych do ścieżki optycznej powoduje przekształcenie przemieszczeń kątowych w fluktuacje natężenia światła odbieranego przez detektor. Częstotliwość tych wahań bezpośrednio odzwierciedla właściwości fizyczne powierzchniowego pola akustycznego. Techniki dyfrakcji siatek powierzchniowych są odpowiednie dla powierzchni o okresowych mikrostrukturach. W miarę rozprzestrzeniania się ultradźwięków często powoduje to niewielkie zmiany siatki, co z kolei zmienia kąty i rozkład energii ugiętych wiązek. Monitorując zmiany natężenia ugiętego światła w określonych rzędach, system może wyodrębnić informacje o dynamicznym przemieszczeniu powierzchni na poziomie sub-nanometra.
03
Modulacja fazowa i interferometria Fabry’ego-Perota
Technologia modulacji fazowej wykorzystuje zasadę interferencji światła spójnego do przekształcania przesunięć fazowych modulowanych przez wibracje ultradźwiękowe na zmiany intensywności prążków interferencyjnych. Technologia ta zwykle osiąga precyzję na poziomie-nanometrów lub nawet niższą. Detekcję interferometryczną można podzielić na interferencję-światła odniesienia i interferencję-samoodniesienia. Referencyjna-interferencja świetlna obejmuje interferencję-ścieżki-i interferencję heterodynową, podczas gdy schematy-samoodniesienia obejmują interferencję opóźnienia, adaptacyjną interferencję holograficzną i detekcję rozpraszania lasera. W schematach demodulacji fazy interferometr Fabry’ego – Perota jest podstawową techniką laserowej detekcji ultradźwiękowej. Metoda ta pozwala na uzyskanie spójnej superpozycji wielu wiązek poprzez wnękę rezonansową utworzoną przez dwa wysoce odblaskowe lustra (rysunek 2). Kiedy informacja o fazie wibracji powierzchni nośnej światła sondy dociera do wnęki, wiązki odbijają się wielokrotnie między zwierciadłami, dzięki czemu prążki interferencyjne są niezwykle ostre. Kiedy przemieszczenie wywołane ultradźwiękami- powoduje przesunięcie fazowe, stan rezonansu ulega zmianie, co prowadzi do dramatycznych liniowych wahań natężenia przepuszczanego lub odbitego światła. W porównaniu z konwencjonalnymi interferometrami Michelsona, interferometry Fabry’ego-Perota wykazują wyższą tolerancję na drgania mechaniczne środowiska i posiadają lepszą kolimację optyczną, co skutkuje lepszą czułością w przypadku chropowatych powierzchni dużych elementów lotniczych. Kontrolując długość wnęki za pomocą ceramiki piezoelektrycznej, system może zablokować punkt pracy w najbardziej wrażliwym obszarze krzywej interferencyjnej, umożliwiając wysoką-liniową ekstrakcję słabych sygnałów drgań akustycznych. Dodatkowo adaptacyjne interferometry holograficzne wykorzystują kryształy fotorefrakcyjne do dynamicznego rejestrowania wzorców zakłóceń, automatycznie kompensując zniekształcenia czoła fali spowodowane zakłóceniami środowiska lub złożoną morfologią powierzchni, poprawiając stabilność systemu w trudnych warunkach przemysłowych. Technologia wykrywania rozproszenia laserowego przechwytuje informacje o wibracjach poprzez analizę dynamicznej ewolucji rozkładów pola plamkowego. Chociaż jego rozdzielczość przemieszczenia bezwzględnego jest nieco gorsza w porównaniu z czystymi metodami interferometrycznymi, charakteryzuje się dużą wytrzymałością podczas obsługi nieprzetworzonych, silnie rozpraszających powierzchni, służąc jako uzupełniające podejście do charakteryzowania złożonych materiałów lotniczych (jak pokazano na rysunku 3). Interferometry heterodynowe generują sygnały dudnienia poprzez wprowadzenie różnicy częstotliwości, skutecznie rozwiązując problemy związane z dryftem sygnału prądu stałego i zwiększając dokładność pomiaru w środowiskach dynamicznych.
04
Streszczenie
Zasada detekcji optycznej w laserowych testach ultradźwiękowych ustanawia kompletny system od konwersji energii fizycznej do demodulacji fazy sygnału. Technologia modulacji intensywności, dzięki intuicyjnej strukturze i reakcji w czasie rzeczywistym-, odgrywa ważną rolę w-szybkim monitorowaniu procesów i charakteryzowaniu mikro-nano. Technologia modulacji fazy, reprezentowana przez interferometry Fabry'ego-Pérota, pokonuje ograniczenia-detekcji bezkontaktowej pod względem czułości i rozdzielczości dzięki precyzyjnym metodom koherencji optycznej. Ten w pełni-tryb wykrywania bezkontaktowego nie tylko rozwiązuje problemy związane z oceną online złożonych zakrzywionych komponentów, ale także zapewnia ważne wsparcie teoretyczne i ścieżki techniczne do monitorowania stanu materiałów przez cały ich cykl życia.
