01
Úvod
Technológia optickej detekcie hrá ústrednú úlohu v laserovom ultrazvukovom testovaní (LUT) a má výhody oproti tradičným piezoelektrickým snímačom. Bez{1}}kontaktná optická detekcia neinterferuje s ultrazvukovým poľom a umožňuje rýchly pohyb detekčných bodov s presnou priestorovou presnosťou. Optická detekcia pokrýva široký frekvenčný rozsah vo vysoko-frekvenčných pásmach, vďaka čomu je schopná identifikovať a analyzovať ultrazvukové vlny. Naproti tomu piezoelektrické senzory čelia problémom pri detekcii vysoko-frekvenčných signálov v dôsledku obmedzení materiálových vlastností. Citlivosť optickej detekcie však výrazne klesá pri riešení rozptýlených predmetov. Vplyv ultrazvukových vĺn na svetelný lúč možno klasifikovať hlavne na moduláciu intenzity a fázovú alebo frekvenčnú moduláciu. Vzhľadom na extrémne vysokú frekvenciu svetla súčasné fotodetektory nedokážu priamo merať fázu svetla a dokážu detegovať iba intenzitu svetla. Aby sa získali informácie o fáze svetelného lúča, lúč musí byť modulovaný, aby sa informácie o fáze premenili na informáciu o intenzite, ktorá sa potom obnoví demoduláciou.
02
Techniky modulácie intenzity
Techniky modulácie intenzity získavajú údaje o vibráciách povrchu a posunutí monitorovaním kolísania intenzity svetla. Tento prístup zahŕňa predovšetkým techniky čerpacej{1}}sondy, techniky optického vychýlenia a difrakčné techniky povrchovej mriežky. Techniky čerpacích-sond sa používajú na charakterizáciu ultrarýchlej dynamiky a mikro- až nanometrových akustických odoziev. Ako je znázornené na obrázku 1, princíp zahŕňa použitie vysokoenergetického svetla pumpy na vyvolanie prechodnej termoelastickej deformácie alebo vysokofrekvenčných ultrazvukových impulzov v materiáli, po ktorých nasleduje vzorkovanie svetlom sondy s riadeným časovým oneskorením. Poruchy indexu lomu alebo posuny spôsobené ultrazvukom menia charakteristiky odrazu svetla sondy. Nastavením časového oneskorenia medzi dvoma impulzmi pomocou mechanického translačného stupňa môže systém zaznamenávať dynamický vývoj ultrazvuku na pikosekundovej alebo femtosekundovej stupnici. Optické techniky vychyľovania detegujú lokálne geometrické náklony vyvolané povrchovými akustickými vlnami. Keď ultrazvuk prechádza cez detekčný bod, mierne naklonenie povrchu spôsobí priestorové vychýlenie odrazeného svetelného lúča. Zavedením fyzických prekážok do optickej dráhy sa uhlové posuny premenia na kolísanie intenzity svetla prijímané detektorom. Frekvencia týchto výkyvov priamo odráža fyzikálne charakteristiky povrchového akustického poľa. Difrakčné techniky povrchovej mriežky sú vhodné pre povrchy s periodickými mikroštruktúrami. Ako sa ultrazvuk šíri, často spôsobuje mierne úpravy mriežky, čo zase mení uhly a rozloženie energie difraktovaných lúčov. Monitorovaním zmien intenzity difraktovaného svetla v určitých rádoch môže systém extrahovať informácie o dynamickom posunutí povrchu na sub{18}}nanometrovej úrovni.
03
Fázová modulácia a Fabryho-Perotova interferometria
Technológia fázovej modulácie využíva interferenčný princíp koherentného svetla na premenu fázových posunov modulovaných ultrazvukovými vibráciami na variácie intenzity interferenčných prúžkov. Táto technológia zvyčajne dosahuje presnosť na-úrovni nanometrov alebo dokonca nižšiu. Interferometrickú detekciu možno rozdeliť na referenčnú-interferenciu svetla a auto{4}}referenčnú interferenciu. Referenčné-interferencie svetla zahŕňajú nulovú-cestu-rozdielu a heterodynovú interferenciu, zatiaľ čo vlastné-referenčné schémy zahŕňajú rušenie oneskorenia, adaptívne holografické rušenie a detekciu rozptylu lasera. V schémach fázovej demodulácie je Fabry-Perotov interferometer základnou technikou pre laserovú ultrazvukovú detekciu. Touto metódou sa dosahuje koherentná superpozícia viacerých lúčov cez rezonančnú dutinu tvorenú dvoma vysoko reflexnými zrkadlami (obrázok 2). Keď informácie o fáze vibrácií povrchu nesúceho svetlo sondy vstúpia do dutiny, lúče sa viacnásobne odrážajú medzi zrkadlami, čím sú interferenčné prúžky extrémne ostré. Keď posunutie vyvolané ultrazvukom{15}}spôsobí fázový posun, podmienky rezonancie sa posunú, čo vedie k dramatickým lineárnym fluktuáciám v intenzite prenášaného alebo odrazeného svetla. V porovnaní s konvenčnými Michelsonovými interferometrami vykazujú Fabry-Perotove interferometre vyššiu toleranciu voči environmentálnym mechanickým vibráciám a majú väčšiu optickú kolimáciu, čo vedie k lepšej citlivosti pri práci s drsnými povrchmi veľkých leteckých komponentov. Riadením dĺžky dutiny pomocou piezoelektrickej keramiky dokáže systém uzamknúť pracovný bod v najcitlivejšej oblasti interferenčnej krivky, čo umožňuje extrakciu slabých akustických vibračných signálov s vysokou{18}}linearitou. Adaptívne holografické interferometre navyše využívajú fotorefrakčné kryštály na dynamické zaznamenávanie interferenčných vzorov, ktoré automaticky kompenzujú deformácie čela vlny spôsobené poruchami prostredia alebo komplexnými morfológiami povrchu, čím zlepšujú stabilitu systému v drsných priemyselných prostrediach. Technológia detekcie laserového rozptylu zachytáva informácie o vibráciách analýzou dynamického vývoja rozloženia škvrnitého poľa. Aj keď je jeho absolútne rozlíšenie posunutia o niečo horšie ako čisté interferometrické metódy, má silnú robustnosť pri manipulácii s nespracovanými, vysoko rozptylovými povrchmi, čo slúži ako doplnkový prístup na charakterizáciu zložitých leteckých materiálov (ako je znázornené na obrázku 3). Heterodynné interferometre generujú signály rytmu zavedením frekvenčného rozdielu, čím efektívne riešia problémy s posunom jednosmerného signálu a zvyšujú presnosť merania v dynamických prostrediach.
04
Zhrnutie
Princíp optickej detekcie laserového ultrazvukového testovania vytvára kompletný systém od premeny fyzickej energie po fázovú demoduláciu signálu. Technológia modulácie intenzity so svojou intuitívnou štruktúrou a{1}}reakciou v reálnom čase zohráva dôležitú úlohu pri vysoko-monitorovaní procesov a mikro-nano charakterizácii. Technológia fázovej modulácie, ktorú predstavujú Fabry-Pérotove interferometre, prekonáva obmedzenia bez-kontaktnej detekcie z hľadiska citlivosti a rozlíšenia prostredníctvom presných metód optickej koherencie. Tento plne bez{8}}kontaktný režim detekcie rieši nielen výzvy online hodnotenia zložitých zakrivených komponentov, ale poskytuje aj dôležitú teoretickú podporu a technické cesty na monitorovanie zdravotného stavu materiálov počas celého ich životného cyklu.
