01
Εισαγωγή
Η τεχνολογία οπτικής ανίχνευσης παίζει κεντρικό ρόλο στις δοκιμές υπερήχων με λέιζερ (LUT) και έχει πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων. Η οπτική ανίχνευση χωρίς επαφή-δεν παρεμβαίνει στο υπερηχητικό πεδίο και επιτρέπει στα σημεία ανίχνευσης να κινούνται γρήγορα με ακριβή χωρική ακρίβεια. Η οπτική ανίχνευση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων σε ζώνες υψηλών-συχνοτήτων, καθιστώντας την ικανή να αναγνωρίζει και να αναλύει υπερηχητικά κύματα. Αντίθετα, οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες αντιμετωπίζουν προκλήσεις στην ανίχνευση σημάτων υψηλής-συχνότητας λόγω των περιορισμών των ιδιοτήτων του υλικού. Ωστόσο, η ευαισθησία της οπτικής ανίχνευσης μειώνεται σημαντικά όταν αντιμετωπίζουμε διάσπαρτα αντικείμενα. Η επίδραση των κυμάτων υπερήχων σε μια δέσμη φωτός μπορεί κυρίως να ταξινομηθεί σε διαμόρφωση έντασης και διαμόρφωση φάσης ή συχνότητας. Λόγω της εξαιρετικά υψηλής συχνότητας φωτός, οι τρέχοντες φωτοανιχνευτές δεν μπορούν να μετρήσουν άμεσα τη φάση του φωτός και μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο την ένταση του φωτός. Για να ληφθούν πληροφορίες φάσης της δέσμης φωτός, η δέσμη πρέπει να διαμορφωθεί ώστε να μετατρέπει τις πληροφορίες φάσης σε πληροφορίες έντασης, οι οποίες στη συνέχεια ανακτώνται μέσω αποδιαμόρφωσης.
02
Τεχνικές Διαμόρφωσης Έντασης
Οι τεχνικές διαμόρφωσης έντασης αποκτούν δεδομένα επιφανειακών κραδασμών και μετατόπισης παρακολουθώντας τις διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός. Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει κυρίως τεχνικές ανίχνευσης αντλιών, τεχνικές οπτικής εκτροπής και τεχνικές περίθλασης πλέγματος επιφανειών. Χρησιμοποιούνται τεχνικές ανίχνευσης αντλιών-για τον χαρακτηρισμό της υπερταχείας δυναμικής και των ακουστικών αποκρίσεων μικρο- έως νανοκλίμακας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η αρχή περιλαμβάνει τη χρήση φωτός αντλίας υψηλής ενέργειας για την πρόκληση παροδικής θερμοελαστικής παραμόρφωσης ή παλμών υπερήχων υψηλής συχνότητας στο υλικό, ακολουθούμενη από δειγματοληψία με φως ανιχνευτή που έχει ελεγχόμενη χρονική καθυστέρηση. Οι διαταραχές του δείκτη διάθλασης ή οι μετατοπίσεις που προκαλούνται από τον υπέρηχο μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά ανάκλασης του φωτός του ανιχνευτή. Ρυθμίζοντας τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ των δύο παλμών χρησιμοποιώντας ένα στάδιο μηχανικής μετάφρασης, το σύστημα μπορεί να καταγράψει τη δυναμική εξέλιξη του υπερήχου σε κλίμακα picosecond ή femtosecond. Οι τεχνικές οπτικής εκτροπής ανιχνεύουν τοπικές γεωμετρικές κλίσεις που προκαλούνται από επιφανειακά ακουστικά κύματα. Όταν ο υπέρηχος διέρχεται από το σημείο ανίχνευσης, μικρές κλίσεις της επιφάνειας προκαλούν χωρική εκτροπή της ανακλώμενης δέσμης φωτός. Με την εισαγωγή φυσικών εμποδίων στην οπτική διαδρομή, οι γωνιακές μετατοπίσεις μετατρέπονται σε διακυμάνσεις της έντασης του φωτός που λαμβάνονται από τον ανιχνευτή. Η συχνότητα αυτών των διακυμάνσεων αντανακλά άμεσα τα φυσικά χαρακτηριστικά του επιφανειακού ακουστικού πεδίου. Οι τεχνικές περίθλασης επιφανειακών σχαρών είναι κατάλληλες για επιφάνειες με περιοδικές μικροδομές. Καθώς ο υπέρηχος διαδίδεται, συχνά προκαλεί μικρές προσαρμογές στο πλέγμα, το οποίο με τη σειρά του αλλάζει τις γωνίες και την κατανομή ενέργειας των περιθλαμένων δεσμών. Παρακολουθώντας τις αλλαγές στην ένταση του περιθλαμένου φωτός σε συγκεκριμένες εντολές, το σύστημα μπορεί να εξάγει πληροφορίες δυναμικής μετατόπισης επιφάνειας σε επίπεδο υπο{18}}νανομέτρων.
03
Διαμόρφωση Φάσης και Συμβολομετρία Fabry–Perot
Η τεχνολογία διαμόρφωσης φάσης χρησιμοποιεί την αρχή παρεμβολής του συνεκτικού φωτός για να μετατρέψει τις μετατοπίσεις φάσης που διαμορφώνονται από υπερηχητικούς κραδασμούς σε διακυμάνσεις της έντασης των κροσσών παρεμβολής. Αυτή η τεχνολογία συνήθως επιτυγχάνει ακρίβεια νανομέτρων- ή ακόμη χαμηλότερη. Η συμβολομετρική ανίχνευση μπορεί να χωριστεί σε παρεμβολές αναφοράς-φωτεινής παρεμβολής και αυτο{4}}παρεμβολή αναφοράς. Η-παρεμβολή φωτός αναφοράς περιλαμβάνει παρεμβολές μηδενικής-διαδρομής-διαφορών και ετεροδύνων παρεμβολών, ενώ τα σχήματα αυτο-αναφοράς περιλαμβάνουν παρεμβολή καθυστέρησης, προσαρμοστική ολογραφική παρεμβολή και ανίχνευση σκέδασης λέιζερ. Στα σχήματα αποδιαμόρφωσης φάσης, το συμβολόμετρο Fabry–Perot είναι η βασική τεχνική για την ανίχνευση υπερήχων με λέιζερ. Αυτή η μέθοδος επιτυγχάνει συνεκτική υπέρθεση πολλαπλών δεσμών μέσω μιας κοιλότητας συντονισμού που σχηματίζεται από δύο εξαιρετικά ανακλαστικά κάτοπτρα (Εικόνα 2). Όταν το φως του ανιχνευτή που μεταφέρει πληροφορίες φάσης δόνησης επιφάνειας εισέρχεται στην κοιλότητα, οι δέσμες αντανακλώνται πολλές φορές μεταξύ των κατόπτρων, καθιστώντας τα κρόσσια παρεμβολής εξαιρετικά ευκρινή. Όταν η μετατόπιση{15}}που προκαλείται από υπερήχους προκαλεί μετατόπιση φάσης, η συνθήκη συντονισμού μετατοπίζεται, οδηγώντας σε δραματικές γραμμικές διακυμάνσεις στην ένταση του εκπεμπόμενου ή ανακλώμενου φωτός. Σε σύγκριση με τα συμβατικά παρεμβολόμετρα Michelson, τα συμβολόμετρα Fabry-Perot παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανοχή σε περιβαλλοντικούς μηχανικούς κραδασμούς και διαθέτουν μεγαλύτερη οπτική ευθυγράμμιση, με αποτέλεσμα καλύτερη ευαισθησία όταν αντιμετωπίζουμε τραχιές επιφάνειες μεγάλων εξαρτημάτων αεροδιαστημικής. Ελέγχοντας το μήκος της κοιλότητας με πιεζοηλεκτρικά κεραμικά, το σύστημα μπορεί να κλειδώσει το σημείο λειτουργίας στην πιο ευαίσθητη περιοχή της καμπύλης παρεμβολής, επιτρέποντας την εξαγωγή αδύναμων ακουστικών σημάτων δόνησης υψηλής γραμμικότητας. Επιπλέον, τα προσαρμοστικά ολογραφικά συμβολόμετρα χρησιμοποιούν φωτοδιαθλαστικά κρύσταλλα για να καταγράφουν δυναμικά μοτίβα παρεμβολών, αντισταθμίζοντας αυτόματα τις παραμορφώσεις του μετώπου κύματος που προκαλούνται από περιβαλλοντικές διαταραχές ή πολύπλοκες μορφολογίες επιφανειών, βελτιώνοντας τη σταθερότητα του συστήματος σε σκληρά βιομηχανικά περιβάλλοντα. Η τεχνολογία ανίχνευσης σκέδασης λέιζερ συλλαμβάνει πληροφορίες κραδασμών αναλύοντας τη δυναμική εξέλιξη των κατανομών πεδίου κηλίδων. Αν και η απόλυτη ανάλυση μετατόπισής του είναι ελαφρώς κατώτερη από τις καθαρές παρεμβολομετρικές μεθόδους, έχει ισχυρή στιβαρότητα όταν χειρίζεται μη επεξεργασμένες επιφάνειες υψηλής διασποράς, χρησιμεύοντας ως συμπληρωματική προσέγγιση για τον χαρακτηρισμό πολύπλοκων αεροδιαστημικών υλικών (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3). Τα ετερόδυνα συμβολόμετρα παράγουν σήματα παλμού εισάγοντας μια διαφορά συχνότητας, αντιμετωπίζοντας αποτελεσματικά προβλήματα μετατόπισης σήματος DC και βελτιώνοντας την ακρίβεια μέτρησης σε δυναμικά περιβάλλοντα.
04
Περίληψη
Η αρχή της οπτικής ανίχνευσης των δοκιμών με υπερήχους λέιζερ δημιουργεί ένα πλήρες σύστημα από τη μετατροπή της φυσικής ενέργειας σε αποδιαμόρφωση φάσης σήματος. Η τεχνολογία διαμόρφωσης έντασης, με τη διαισθητική δομή της και την απόκριση σε πραγματικό-χρόνο, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην παρακολούθηση της διαδικασίας υψηλής-ταχύτητας και στον μικρο-νανοχαρακτηρισμό. Η τεχνολογία διαμόρφωσης φάσης, που αντιπροσωπεύεται από παρεμβολόμετρα Fabry-Pérot, ξεπερνά τους περιορισμούς της ανίχνευσης χωρίς-επαφής όσον αφορά την ευαισθησία και την ανάλυση μέσω μεθόδων ακριβούς οπτικής συνοχής. Αυτή η λειτουργία ανίχνευσης χωρίς επαφή όχι μόνο αντιμετωπίζει τις προκλήσεις της διαδικτυακής αξιολόγησης πολύπλοκων καμπυλωτών εξαρτημάτων, αλλά παρέχει επίσης σημαντική θεωρητική υποστήριξη και τεχνικές διαδρομές για την παρακολούθηση της υγείας των υλικών σε ολόκληρο τον κύκλο ζωής τους.
