01
вступ
Технологія оптичного виявлення відіграє центральну роль у лазерному ультразвуковому тестуванні (LUT) і має переваги перед традиційними п’єзоелектричними датчиками. Без{1}}контактне оптичне виявлення не заважає ультразвуковому полю та дозволяє точкам виявлення швидко переміщатися з точною просторовою точністю. Оптичне виявлення охоплює широкий частотний діапазон у високих-смугах частот, що робить його здатним ідентифікувати й аналізувати ультразвукові хвилі. Навпаки, п’єзоелектричні датчики стикаються з проблемами виявлення високочастотних-сигналів через обмеження властивостей матеріалу. Однак чутливість оптичного виявлення істотно знижується при роботі з розсіяними об'єктами. Вплив ультразвукових хвиль на світловий промінь можна в основному класифікувати на модуляцію інтенсивності та фазову або частотну модуляцію. Через надзвичайно високу частоту світла сучасні фотодетектори не можуть безпосередньо вимірювати фазу світла, а можуть лише виявляти інтенсивність світла. Щоб отримати інформацію про фазу світлового променя, промінь необхідно модулювати для перетворення інформації про фазу в інформацію про інтенсивність, яка потім відновлюється за допомогою демодуляції.
02
Методи модуляції інтенсивності
Методи модуляції інтенсивності отримують дані про вібрацію та зміщення поверхні шляхом моніторингу коливань інтенсивності світла. Цей підхід насамперед включає методи зондування-накачування, методи оптичного відхилення та методи дифракції поверхневих граток. Методи-зондування насосом використовуються для характеристики надшвидкої динаміки та акустичних відгуків від мікро- до нанорозміру. Як показано на малюнку 1, принцип передбачає використання високо{7}}енергетичного світла накачки для індукції короткочасної термопружної деформації або високо-ультразвукових імпульсів у матеріалі з подальшим відбором зразків пробним світлом із контрольованою затримкою часу. Порушення показника заломлення або зміщення, спричинені ультразвуком, змінюють характеристики відбиття світла зонда. Регулюючи часову затримку між двома імпульсами за допомогою механічного ступеня трансляції, система може записувати динамічну еволюцію ультразвуку в пікосекундному або фемтосекундному масштабі. Методи оптичного відхилення виявляють локальні геометричні нахили, спричинені поверхневими акустичними хвилями. Коли ультразвук проходить через точку виявлення, невеликі нахили поверхні викликають просторове відхилення відбитого променя світла. Вводячи фізичні перешкоди на оптичному шляху, кутові зміщення перетворюються на коливання інтенсивності світла, отримані детектором. Частота цих коливань безпосередньо відображає фізичні характеристики поверхневого акустичного поля. Методи дифракції на поверхневих решітках підходять для поверхонь з періодичною мікроструктурою. Коли ультразвук поширюється, він часто викликає незначні коригування решітки, що, у свою чергу, змінює кути та розподіл енергії дифрагованих променів. Відстежуючи зміни в інтенсивності дифрагованого світла певного порядку, система може отримувати інформацію про динамічне зміщення поверхні на суб-нанометровому рівні.
03
Фазова модуляція та інтерферометрія Фабрі–Перо
Технологія фазової модуляції використовує принцип інтерференції когерентного світла для перетворення фазових зрушень, модульованих ультразвуковими коливаннями, у варіації інтенсивності інтерференційних смуг. Ця технологія зазвичай досягає нанометрового-рівня точності або навіть нижче. Інтерферометричне виявлення можна розділити на еталонну-світлову інтерференцію та-самореферентну інтерференцію. Еталонна-інтерференція світла включає інтерференцію з нульовою-різницею-трактів і гетеродинну інтерференцію, тоді як схеми власного{9}}опору включають інтерференцію із затримкою, адаптивну голографічну інтерференцію та детектування лазерного розсіювання. У схемах фазової демодуляції інтерферометр Фабрі–Перо є основним методом лазерного ультразвукового детектування. Цей метод забезпечує когерентне накладання кількох променів через резонансну порожнину, утворену двома дзеркалами з високим відбиттям (рис. 2). Коли світло зонда, що несе інформацію про фазу вібрації поверхні, потрапляє в порожнину, промені багаторазово відбиваються між дзеркалами, роблячи інтерференційні смуги надзвичайно різкими. Коли ультразвукове -індуковане зміщення спричиняє зсув фази, стан резонансу зміщується, що призводить до драматичних лінійних коливань інтенсивності пропущеного або відбитого світла. У порівнянні зі звичайними інтерферометрами Майкельсона, інтерферометри Фабрі–Перо виявляють вищу стійкість до механічних коливань навколишнього середовища та мають більшу оптичну колімацію, що забезпечує кращу чутливість при роботі з шорсткими поверхнями великих аерокосмічних компонентів. Контролюючи довжину резонатора за допомогою п’єзоелектричної кераміки, система може зафіксувати робочу точку в найбільш чутливій області інтерференційної кривої, забезпечуючи високо{18}}лінійне виділення слабких сигналів акустичної вібрації. Крім того, адаптивні голографічні інтерферометри використовують фоторефрактивні кристали для динамічного запису інтерференційних картин, автоматично компенсуючи спотворення хвильового фронту, викликані порушеннями навколишнього середовища або складною морфологією поверхні, покращуючи стабільність системи в суворих промислових умовах. Технологія виявлення лазерного розсіювання фіксує інформацію про вібрацію, аналізуючи динамічну еволюцію розподілу спекл-поля. Хоча його абсолютна роздільна здатність за зміщенням дещо поступається чистим інтерферометричним методам, він має високу надійність при роботі з необробленими поверхнями, що сильно розсіюють, служачи додатковим підходом для характеристики складних аерокосмічних матеріалів (як показано на малюнку 3). Гетеродинні інтерферометри генерують сигнали биття, вводячи різницю частот, ефективно вирішуючи проблеми дрейфу сигналу постійного струму та підвищуючи точність вимірювань у динамічних середовищах.
04
Резюме
Принцип оптичного виявлення лазерного ультразвукового тестування створює повну систему від перетворення фізичної енергії до фазової демодуляції сигналу. Технологія модуляції інтенсивності з інтуїтивно зрозумілою структурою та-відповіддю в реальному часі відіграє важливу роль у високо-моніторингу процесів і мікро-нанохарактеристиках. Технологія фазової модуляції, представлена інтерферометрами Фабрі-Перо, долає обмеження без{6}}контактного виявлення з точки зору чутливості та роздільної здатності за допомогою точних методів оптичної когерентності. Цей повністю без{8}}режим виявлення контактів не лише вирішує проблеми онлайн-оцінки складних вигнутих компонентів, але й надає важливу теоретичну підтримку та технічні шляхи для моніторингу стану матеріалів протягом усього життєвого циклу.
