01
Ievads
Optiskās noteikšanas tehnoloģijai ir galvenā loma lāzera ultraskaņas testēšanā (LUT), un tai ir priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem pjezoelektriskajiem sensoriem. Bezkontakta optiskā noteikšana netraucē ultraskaņas lauku un ļauj uztveršanas punktiem ātri pārvietoties ar precīzu telpisku precizitāti. Optiskā noteikšana aptver plašu frekvenču diapazonu augstu-frekvenču joslās, kas ļauj identificēt un analizēt ultraskaņas viļņus. Turpretim pjezoelektriskie sensori saskaras ar grūtībām noteikt augstfrekvences signālus materiāla īpašību ierobežojumu dēļ. Tomēr optiskās noteikšanas jutīgums ievērojami samazinās, strādājot ar izkliedētiem objektiem. Ultraskaņas viļņu ietekmi uz gaismas staru galvenokārt var klasificēt intensitātes modulācijā un fāzes vai frekvences modulācijā. Īpaši augstās gaismas frekvences dēļ pašreizējie fotodetektori nevar tieši izmērīt gaismas fāzi un var noteikt tikai gaismas intensitāti. Lai iegūtu gaismas stara fāzes informāciju, stars ir jāmodulē, lai fāzes informāciju pārvērstu intensitātes informācijā, ko pēc tam atgūst demodulācijas ceļā.
02
Intensitātes modulācijas metodes
Intensitātes modulācijas metodes iegūst virsmas vibrācijas un nobīdes datus, uzraugot gaismas intensitātes svārstības. Šī pieeja galvenokārt ietver sūkņa-zondes metodes, optiskās novirzes metodes un virsmas režģa difrakcijas metodes. Sūkņa-zondes metodes tiek izmantotas, lai raksturotu īpaši ātru dinamiku un mikro- līdz nanomēroga akustiskās reakcijas. Kā parādīts 1. attēlā, princips ietver augstas-enerģijas sūkņa gaismas izmantošanu, lai materiālā izraisītu pārejošu termoelastīgu deformāciju vai augstas-frekvences ultraskaņas impulsus, kam seko paraugu ņemšana ar zondes gaismu, kurai ir kontrolēta laika aizkave. Refrakcijas indeksa traucējumi vai pārvietojumi, ko izraisa ultraskaņa, maina zondes gaismas atstarošanas raksturlielumus. Pielāgojot laika aizkavi starp diviem impulsiem, izmantojot mehāniskās tulkošanas stadiju, sistēma var reģistrēt ultraskaņas dinamisko attīstību pikosekundes vai femtosekundes skalā. Optiskās novirzes metodes nosaka lokālos ģeometriskos slīpumus, ko izraisa virsmas akustiskie viļņi. Kad ultraskaņa iziet cauri noteikšanas punktam, nelielas virsmas slīpums izraisa atstarotās gaismas stara telpisku novirzi. Ieviešot optiskajā ceļā fiziskus šķēršļus, leņķiskās nobīdes tiek pārvērstas gaismas intensitātes svārstībās, ko uztver detektors. Šo svārstību biežums tieši atspoguļo virsmas akustiskā lauka fizikālās īpašības. Virsmas režģa difrakcijas metodes ir piemērotas virsmām ar periodiskām mikrostruktūrām. Kad ultraskaņa izplatās, tā bieži rada nelielas režģa korekcijas, kas savukārt maina difrakcijas staru leņķus un enerģijas sadalījumu. Pārraugot difrakcijas gaismas intensitātes izmaiņas noteiktā secībā, sistēma var iegūt informāciju par virsmas dinamisko nobīdi sub-nanometra līmenī.
03
Fāzes modulācija un Fabri-Perota interferometrija
Fāzes modulācijas tehnoloģija izmanto koherentas gaismas traucējumu principu, lai pārveidotu ultraskaņas vibrāciju modulētas fāzes nobīdes traucējumu šķautņu intensitātes variācijās. Šī tehnoloģija parasti sasniedz nanometru{1}}līmeņa precizitāti vai pat zemāku. Interferometrisko noteikšanu var iedalīt atsauces-gaismas traucējumos un paš-atsauces traucējumos. Atsauces-gaismas traucējumi ietver nulles-ceļa-atšķirības traucējumus un heterodīna traucējumus, savukārt paš-atsauces shēmas ietver aizkaves traucējumus, adaptīvos hologrāfiskos traucējumus un lāzera izkliedes noteikšanu. Fāzes demodulācijas shēmās Fabry-Perot interferometrs ir galvenā lāzera ultraskaņas noteikšanas metode. Ar šo metodi tiek panākta vairāku staru koherenta superpozīcija, izmantojot rezonanses dobumu, ko veido divi ļoti atstarojoši spoguļi (2. attēls). Kad zondes gaisma, kas nes virsmas vibrācijas fāzes informāciju, nonāk dobumā, stari vairākas reizes atspīd starp spoguļiem, padarot traucējumu nomales ārkārtīgi asas. Kad ultraskaņas -inducēta nobīde izraisa fāzes nobīdi, rezonanses stāvoklis mainās, izraisot krasas lineāras pārraidītās vai atstarotās gaismas intensitātes svārstības. Salīdzinot ar parastajiem Michelson interferometriem, Fabry-Perot interferometri uzrāda augstāku toleranci pret vides mehāniskajām vibrācijām un tiem ir lielāka optiskā kolimācija, kā rezultātā ir labāka jutība, strādājot ar lielu kosmosa komponentu raupjām virsmām. Kontrolējot dobuma garumu ar pjezoelektrisko keramiku, sistēma var bloķēt darbības punktu visjutīgākajā traucējumu līknes apgabalā, nodrošinot augstu{18}}linearitāti vāju akustisko vibrāciju signāliem. Turklāt adaptīvie hologrāfiskie interferometri izmanto fotorefrakcijas kristālus, lai dinamiski reģistrētu traucējumu modeļus, automātiski kompensējot viļņu frontes kropļojumus, ko izraisa vides traucējumi vai sarežģītas virsmas morfoloģijas, uzlabojot sistēmas stabilitāti skarbos rūpniecības apstākļos. Lāzera izkliedes noteikšanas tehnoloģija uztver vibrācijas informāciju, analizējot plankumu lauka sadalījuma dinamisko attīstību. Lai gan tā absolūtās pārvietošanas izšķirtspēja ir nedaudz zemāka par tīrajām interferometriskajām metodēm, tai ir spēcīga noturība, apstrādājot neapstrādātas, ļoti izkliedējošas virsmas, kas kalpo kā papildu pieeja sarežģītu kosmosa materiālu raksturošanai (kā parādīts 3. attēlā). Heterodīna interferometri ģenerē sitienu signālus, ieviešot frekvences atšķirību, efektīvi risinot līdzstrāvas signāla novirzes problēmas un uzlabojot mērījumu precizitāti dinamiskā vidē.
04
Kopsavilkums
Lāzera ultraskaņas testēšanas optiskās noteikšanas princips izveido pilnīgu sistēmu no fiziskās enerģijas pārveidošanas līdz signāla fāzes demodulācijai. Intensitātes modulācijas tehnoloģijai ar tās intuitīvo struktūru un reāllaika-reakciju ir svarīga loma ātrdarbīgā procesa uzraudzībā un mikro-nano raksturošanā. Fāzu modulācijas tehnoloģija, ko pārstāv Fabry-Pérot interferometri, pārvar bezkontakta noteikšanas ierobežojumus jutības un izšķirtspējas ziņā, izmantojot precīzas optiskās koherences metodes. Šis pilnībā bezkontakta noteikšanas režīms ne tikai risina sarežģītu izliektu komponentu tiešsaistes novērtēšanas problēmas, bet arī nodrošina svarīgu teorētisko atbalstu un tehniskos ceļus materiālu veselības uzraudzībai visā to dzīves ciklā.
