01
Bevezetés
Az optikai érzékelő technológia központi szerepet játszik a lézeres ultrahangos tesztelésben (LUT), és előnyei vannak a hagyományos piezoelektromos érzékelőkkel szemben. Az érintésmentes optikai érzékelés nem zavarja az ultrahangos mezőt, és lehetővé teszi az észlelési pontok gyors mozgását, pontos térbeli pontossággal. Az optikai érzékelés széles frekvenciatartományt fed le a magas-frekvenciasávokban, így képes az ultrahanghullámok azonosítására és elemzésére. Ezzel szemben a piezoelektromos érzékelők az anyagtulajdonságok korlátai miatt kihívásokkal néznek szembe a magas{5}frekvenciás jelek észlelésében. Az optikai érzékelés érzékenysége azonban jelentősen csökken, ha szórt tárgyakkal foglalkozunk. Az ultrahanghullámok fénysugárra gyakorolt hatása főként intenzitásmodulációra és fázis- vagy frekvenciamodulációra osztható. A fény extrém magas frekvenciája miatt a jelenlegi fotodetektorok nem tudják közvetlenül mérni a fény fázisát, és csak a fény intenzitását tudják érzékelni. A fénysugár fázisinformációinak megszerzéséhez a fénynyalábot modulálni kell, hogy a fázisinformációt intenzitásinformációvá alakítsa át, amelyet azután demodulációval visszaállítanak.
02
Intenzitás modulációs technikák
Az intenzitásmodulációs technikák a fényintenzitás ingadozásainak figyelésével nyerik a felületi rezgési és elmozdulási adatokat. Ez a megközelítés elsősorban a pumpás-szonda technikákat, az optikai eltérítési technikákat és a felületi rácsos diffrakciós technikákat foglalja magában. A szivattyú-szonda technikákat az ultragyors dinamika és a mikro- nanoméretű akusztikus válaszok jellemzésére használják. Amint az 1. ábrán látható, az alapelv nagy-energiájú szivattyúfény alkalmazása során tranziens termoelasztikus deformációt vagy nagy-frekvenciás ultrahangimpulzusokat indukál az anyagban, majd mintavételezést végeznek szondafénnyel, amely szabályozott időkésleltetéssel rendelkezik. Az ultrahang által okozott törésmutató-zavarok vagy elmozdulások megváltoztatják a szonda fényének visszaverődési jellemzőit. A két impulzus közötti késleltetés mechanikus transzlációs fokozattal történő beállításával a rendszer pikoszekundumos vagy femtoszekundumos skálán rögzítheti az ultrahang dinamikus alakulását. Az optikai eltérítési technikák érzékelik a felületi akusztikus hullámok által kiváltott helyi geometriai dőléseket. Amikor az ultrahang áthalad az érzékelési ponton, a felület enyhe dőlése a visszavert fénysugár térbeli elhajlását okozza. Az optikai útba fizikai akadályok bevezetésével a szögelmozdulások a detektor által vett fényintenzitás-ingadozásokká alakulnak. Ezen ingadozások gyakorisága közvetlenül tükrözi a felületi akusztikus tér fizikai jellemzőit. A felületi rácsos diffrakciós technikák alkalmasak periodikus mikroszerkezetű felületekre. Ahogy az ultrahang terjed, gyakran enyhe módosításokat okoz a rácson, ami viszont megváltoztatja a szórt sugarak szögeit és energiaeloszlását. A szórt fény intenzitásában bekövetkezett változások meghatározott sorrendben történő figyelésével a rendszer szub-nanométer szinten képes kinyerni a felület dinamikus elmozdulására vonatkozó információkat.
03
Fázismoduláció és Fabry–Perot interferometria
A fázismodulációs technológia a koherens fény interferencia elvét használja az ultrahang rezgések által modulált fáziseltolódások interferenciás sávok intenzitásának változásaivá alakításához. Ez a technológia általában nanométeres{1}}szintű vagy még ennél is alacsonyabb pontosságot ér el. Az interferometrikus észlelés referencia-fényinterferenciára és saját-referencia-interferenciára osztható. A referencia-fényinterferencia magában foglalja a nulla-útvonal-különbség-interferenciát és a heterodin interferenciát, míg az ön-referencia sémák a késleltetett interferenciát, az adaptív holografikus interferenciát és a lézerszórás-észlelést foglalják magukban. A fázisdemodulációs sémákban a Fabry–Perot interferométer a lézeres ultrahangos detektálás alapvető technikája. Ezzel a módszerrel több nyaláb koherens szuperpozícióját éri el egy rezonáns üregen keresztül, amelyet két erősen visszaverő tükör alkot (2. ábra). Amikor a szonda fénye, amely felületi vibrációs fázisinformációkat hordoz az üregbe, a nyalábok többszörösen visszaverődnek a tükrök között, így az interferencia peremek rendkívül élesek. Amikor az ultrahangos{15}}eltolódás fáziseltolódást okoz, a rezonanciafeltételek eltolódnak, ami drámai lineáris ingadozásokhoz vezet az átvitt vagy visszavert fény intenzitásában. A hagyományos Michelson interferométerekhez képest a Fabry–Perot interferométerek jobban tűrik a környezeti mechanikai rezgéseket, és nagyobb az optikai kollimációjuk, ami jobb érzékenységet eredményez a nagy repülőgép-alkatrészek durva felületeivel szemben. Az üreg hosszának piezoelektromos kerámiával történő szabályozásával a rendszer rögzítheti a működési pontot az interferenciagörbe legérzékenyebb tartományában, lehetővé téve a gyenge akusztikus vibrációs jelek nagy -linearitású kiemelését. Ezenkívül az adaptív holografikus interferométerek fotorefraktív kristályokat használnak az interferenciamintázatok dinamikus rögzítésére, automatikusan kompenzálva a környezeti zavarok vagy összetett felületi morfológiák által okozott hullámfront-torzulásokat, javítva a rendszer stabilitását zord ipari környezetben. A lézeres szórásérzékelő technológia a foltmező-eloszlások dinamikus alakulásának elemzésével rögzíti a rezgési információkat. Bár abszolút elmozdulási felbontása valamivel rosszabb, mint a tiszta interferometrikus módszerek, erős robusztussággal rendelkezik a feldolgozatlan, erősen szóródó felületek kezelésekor, és kiegészítő megközelítésként szolgál összetett repülőgép-ipari anyagok jellemzésére (amint az a 3. ábrán látható). A heterodin interferométerek frekvenciakülönbség bevezetésével ütemjeleket generálnak, hatékonyan kezelik az egyenáramú jeleltolódás problémáit, és javítják a mérési pontosságot dinamikus környezetben.
04
Összegzés
A lézeres ultrahangos tesztelés optikai érzékelési elve egy teljes rendszert hoz létre a fizikai energia átalakításától a jel fázisdemodulációjáig. Az intenzitásmodulációs technológia intuitív felépítésével és valós{1}}idejű válaszával fontos szerepet játszik a nagy-sebességű folyamatfigyelésben és a mikro-nano jellemzésben. A Fabry-Pérot interferométerek által képviselt fázismodulációs technológia precíz optikai koherencia-módszerekkel legyőzi az érintésmentes észlelés korlátait az érzékenység és a felbontás tekintetében. Ez a teljesen érintésmentes észlelési mód nemcsak az összetett ívelt alkatrészek online kiértékelésének kihívásaival foglalkozik, hanem fontos elméleti támogatást és technikai lehetőségeket is nyújt az anyagok állapotának teljes életciklusa során történő megfigyeléséhez.
