01
Uvod
Tehnologija optičnega zaznavanja ima osrednjo vlogo pri laserskem ultrazvočnem testiranju (LUT) in ima prednosti pred tradicionalnimi piezoelektričnimi senzorji. Brez{1}}kontaktno optično zaznavanje ne moti ultrazvočnega polja in omogoča hitro premikanje točk zaznavanja z natančno prostorsko natančnostjo. Optično zaznavanje pokriva široko frekvenčno območje v visoko-frekvenčnih pasovih, zaradi česar je sposobno prepoznati in analizirati ultrazvočne valove. Nasprotno pa se piezoelektrični senzorji soočajo z izzivi pri zaznavanju-visokofrekvenčnih signalov zaradi omejitev lastnosti materiala. Vendar pa se občutljivost optične detekcije bistveno zmanjša pri obravnavanju razpršenih predmetov. Vpliv ultrazvočnih valov na svetlobni žarek lahko v glavnem razvrstimo v modulacijo intenzitete in fazno ali frekvenčno modulacijo. Zaradi izredno visoke frekvence svetlobe trenutni fotodetektorji ne morejo neposredno meriti faze svetlobe in lahko zaznavajo samo jakost svetlobe. Za pridobitev faznih informacij svetlobnega žarka je treba žarek modulirati, da pretvori fazne informacije v informacije o intenzivnosti, ki se nato obnovijo z demodulacijo.
02
Tehnike modulacije intenzivnosti
Tehnike modulacije intenzivnosti pridobijo podatke o površinskih vibracijah in premikih s spremljanjem nihanj jakosti svetlobe. Ta pristop vključuje predvsem tehnike sonde s črpalko, tehnike optičnega odklona in tehnike uklona površinske rešetke. Tehnike črpalk-sonde se uporabljajo za karakterizacijo ultrahitre dinamike in akustičnih odzivov od mikro- do nanometrskega merila. Kot je prikazano na sliki 1, načelo vključuje uporabo visoko{7}}energijske črpalne svetlobe za induciranje prehodne termoelastične deformacije ali visoko-frekvenčnih ultrazvočnih impulzov v materialu, čemur sledi vzorčenje s sondno svetlobo, ki ima nadzorovano časovno zakasnitev. Motnje lomnega količnika ali premiki, ki jih povzroči ultrazvok, spremenijo odbojne lastnosti svetlobe sonde. S prilagoditvijo časovne zakasnitve med dvema impulzoma z mehansko stopnjo prevajanja lahko sistem posname dinamični razvoj ultrazvoka na pikosekundni ali femtosekundni lestvici. Tehnike optičnega odklona zaznavajo lokalne geometrijske nagibe, ki jih povzročajo površinski akustični valovi. Ko ultrazvok prehaja skozi točko zaznavanja, rahli nagibi površine povzročijo prostorski odklon odbitega svetlobnega žarka. Z uvedbo fizičnih ovir v optično pot se kotni premiki pretvorijo v nihanja jakosti svetlobe, ki jih sprejme detektor. Frekvenca teh nihanj neposredno odraža fizične značilnosti površinskega akustičnega polja. Difrakcijske tehnike površinske rešetke so primerne za površine s periodično mikrostrukturo. Ko se ultrazvok širi, pogosto povzroči rahle prilagoditve rešetke, kar posledično spremeni kote in porazdelitev energije difraktiranih žarkov. S spremljanjem sprememb v intenzivnosti difraktirane svetlobe pri določenih vrstnih redih lahko sistem izloči informacije o površinskem dinamičnem premiku na pod-nanometrski ravni.
03
Fazna modulacija in Fabry–Perotova interferometrija
Tehnologija fazne modulacije uporablja princip interference koherentne svetlobe za pretvorbo faznih premikov, moduliranih z ultrazvočnimi vibracijami, v variacije intenzivnosti interferenčnih robov. Ta tehnologija običajno doseže nanometrsko-natančnost ali celo nižjo. Interferometrično zaznavanje lahko razdelimo na referenčne-svetlobne motnje in-samoreferenčne motnje. Referenčna-svetlobna interferenca vključuje motnjo brez-poti-razlike in heterodinsko interferenco, medtem ko samo-referenčne sheme vključujejo motnjo z zakasnitvijo, prilagodljivo holografsko interferenco in zaznavanje laserskega sipanja. V shemah fazne demodulacije je Fabry–Perotov interferometer osnovna tehnika za lasersko ultrazvočno detekcijo. Ta metoda doseže koherentno superpozicijo več žarkov skozi resonančno votlino, ki jo tvorita dve visoko odbojni zrcali (slika 2). Ko svetloba sonde, ki prenaša informacije o fazi vibracije površine, vstopi v votlino, se žarki večkrat odbijejo med ogledali, zaradi česar so interferenčne obrobe izjemno ostre. Ko ultrazvočni{15}}inducirani premik povzroči fazni zamik, se stanje resonance premakne, kar vodi do dramatičnih linearnih nihanj v intenzivnosti oddane ali odbite svetlobe. V primerjavi z običajnimi Michelsonovimi interferometri kažejo Fabry–Perotovi interferometri višjo toleranco na mehanske vibracije iz okolja in imajo večjo optično kolimacijo, kar ima za posledico boljšo občutljivost pri delu z grobimi površinami velikih vesoljskih komponent. Z nadzorom dolžine votline s piezoelektrično keramiko lahko sistem zaklene delovno točko na najbolj občutljivem območju interferenčne krivulje, kar omogoča visoko{18}}linearno ekstrakcijo šibkih signalov zvočnih vibracij. Poleg tega prilagodljivi holografski interferometri uporabljajo fotorefraktivne kristale za dinamično snemanje interferenčnih vzorcev, ki samodejno kompenzirajo popačenja valovne fronte, ki jih povzročajo okoljske motnje ali zapletene morfologije površin, s čimer izboljšajo stabilnost sistema v težkih industrijskih okoljih. Tehnologija zaznavanja laserskega sipanja zajame informacije o vibracijah z analizo dinamičnega razvoja porazdelitve pegastega polja. Čeprav je njegova absolutna ločljivost pomika nekoliko slabša od čistih interferometričnih metod, ima močno robustnost pri ravnanju z neobdelanimi površinami, ki se močno razpršijo, kar služi kot dopolnilni pristop za karakterizacijo kompleksnih letalskih materialov (kot je prikazano na sliki 3). Heterodinski interferometri ustvarjajo signale utripanja z uvajanjem frekvenčne razlike, učinkovito obravnavajo težave z odmikom enosmernega signala in izboljšajo natančnost meritev v dinamičnih okoljih.
04
Povzetek
Načelo optičnega zaznavanja laserskega ultrazvočnega testiranja vzpostavi celoten sistem od pretvorbe fizične energije do fazne demodulacije signala. Tehnologija modulacije intenzivnosti s svojo intuitivno strukturo in-odzivom v realnem-času igra pomembno vlogo pri visoko-nadzoru procesov in mikro-nano karakterizaciji. Tehnologija fazne modulacije, ki jo predstavljajo interferometri Fabry-Pérot, premaga omejitve brez{6}}kontaktnega zaznavanja v smislu občutljivosti in ločljivosti z natančnimi optičnimi koherenčnimi metodami. Ta popolnoma brez{8}}kontaktni način zaznavanja ne obravnava le izzivov spletnega ocenjevanja kompleksnih ukrivljenih komponent, temveč zagotavlja tudi pomembno teoretično podporo in tehnične poti za spremljanje zdravja materialov skozi njihov celoten življenjski cikel.
