01
Indledning
Optisk detektionsteknologi spiller en central rolle i laser ultralydstest (LUT) og har fordele i forhold til traditionelle piezoelektriske sensorer. Optisk detektering uden-kontakt forstyrrer ikke ultralydsfeltet og tillader detektionspunkter at bevæge sig hurtigt med præcis rumlig nøjagtighed. Optisk detektion dækker et bredt frekvensområde i høje-frekvensbånd, hvilket gør den i stand til at identificere og analysere ultralydsbølger. I modsætning hertil står piezoelektriske sensorer over for udfordringer med at detektere højfrekvente-signaler på grund af begrænsningerne af materialeegenskaber. Følsomheden af optisk detektering falder dog betydeligt, når man håndterer spredte genstande. Effekten af ultralydsbølger på en lysstråle kan hovedsageligt klassificeres i intensitetsmodulation og fase- eller frekvensmodulation. På grund af den ekstremt høje lysfrekvens kan nuværende fotodetektorer ikke direkte måle lysets fase og kan kun detektere lysintensiteten. For at opnå faseinformation for lysstrålen skal strålen moduleres for at konvertere faseinformation til intensitetsinformation, som derefter gendannes gennem demodulation.
02
Intensitetsmodulationsteknikker
Intensitetsmodulationsteknikker indsamler overfladevibrations- og forskydningsdata ved at overvåge udsving i lysintensitet. Denne tilgang omfatter primært pumpe-sondeteknikker, optiske afbøjningsteknikker og overfladegitterdiffraktionsteknikker. Pumpe-sondeteknikker bruges til at karakterisere ultrahurtig dynamik og mikro- til nanoskala akustiske reaktioner. Som illustreret i figur 1 involverer princippet brug af høj-pumpelys til at inducere forbigående termoelastisk deformation eller højfrekvente ultralydsimpulser i materialet, efterfulgt af prøveudtagning med sondelys, der har en kontrolleret tidsforsinkelse. Brydningsindeksforstyrrelser eller forskydninger forårsaget af ultralyden ændrer reflektionsegenskaberne for sondelyset. Ved at justere tidsforsinkelsen mellem de to impulser ved hjælp af et mekanisk translationstrin, kan systemet registrere den dynamiske udvikling af ultralyd på en picosekund eller femtosekund skala. Optiske afbøjningsteknikker detekterer lokale geometriske hældninger induceret af akustiske overfladebølger. Når ultralyden passerer gennem detektionspunktet, forårsager små hældninger af overfladen rumlig afbøjning af den reflekterede lysstråle. Ved at indføre fysiske forhindringer i den optiske bane konverteres vinkelforskydninger til lysintensitetsudsving modtaget af detektoren. Hyppigheden af disse fluktuationer afspejler direkte de fysiske karakteristika af det overfladeakustiske felt. Overfladegitterdiffraktionsteknikker er velegnede til overflader med periodiske mikrostrukturer. Efterhånden som ultralyd forplanter sig, forårsager det ofte små justeringer af gitteret, hvilket igen ændrer vinklerne og energifordelingen af de diffrakterede stråler. Ved at overvåge ændringer i intensiteten af diffrakteret lys ved specifikke ordrer kan systemet udtrække oplysninger om overfladedynamiske forskydninger på sub-nanometerniveau.
03
Fasemodulation og Fabry-Perot interferometri
Fasemodulationsteknologien udnytter interferensprincippet om kohærent lys til at konvertere faseskift moduleret af ultralydsvibrationer til variationer i intensiteten af interferenskanter. Denne teknologi opnår typisk nanometer-præcision eller endnu lavere. Interferometrisk detektion kan opdeles i reference-lysinterferens og selv-referenceinterferens. Reference-lysinterferens inkluderer nul-sti-forskelinterferens og heterodyninterferens, mens selv-referenceskemaer omfatter forsinkelsesinterferens, adaptiv holografisk interferens og laserspredningsdetektion. I fasedemodulationsskemaer er Fabry-Perot-interferometeret kerneteknikken til laser ultralydsdetektion. Denne metode opnår kohærent superposition af flere stråler gennem et resonanshulrum dannet af to stærkt reflekterende spejle (figur 2). Når sondelys, der bærer overfladevibrationsfaseinformation, kommer ind i hulrummet, reflekteres strålerne flere gange mellem spejlene, hvilket gør interferenskanterne ekstremt skarpe. Når ultralydsinduceret-forskydning forårsager et faseskift, driver resonanstilstanden, hvilket fører til dramatiske lineære udsving i den transmitterede eller reflekterede lysintensitet. Sammenlignet med konventionelle Michelson-interferometre viser Fabry-Perot-interferometre højere tolerance over for mekaniske vibrationer i omgivelserne og har større optisk kollimation, hvilket resulterer i bedre følsomhed, når de håndterer ru overflader på store rumfartskomponenter. Ved at styre hulrumslængden med piezoelektrisk keramik kan systemet låse driftspunktet ved det mest følsomme område af interferenskurven, hvilket muliggør høj-linearitetsudtrækning af svage akustiske vibrationssignaler. Derudover bruger adaptive holografiske interferometre fotorefraktive krystaller til dynamisk at optage interferensmønstre, der automatisk kompenserer for bølgefrontforvrængninger forårsaget af miljøforstyrrelser eller komplekse overflademorfologier, hvilket forbedrer systemstabiliteten i barske industrielle miljøer. Laserspredningsdetektionsteknologi fanger vibrationsinformation ved at analysere den dynamiske udvikling af sprødfeltfordelinger. Selvom dens absolutte forskydningsopløsning er lidt ringere end rene interferometriske metoder, har den stærk robusthed, når den håndterer ubehandlede, stærkt spredende overflader, hvilket tjener som en komplementær tilgang til at karakterisere komplekse rumfartsmaterialer (som vist i figur 3). Heterodyne interferometre genererer beatsignaler ved at indføre en frekvensforskel, der effektivt adresserer DC-signaldriftsproblemer og forbedrer målenøjagtigheden i dynamiske miljøer.
04
Oversigt
Det optiske detektionsprincip for laser-ultralydstest etablerer et komplet system fra konvertering af fysisk energi til signalfasedemodulation. Intensitetsmodulationsteknologi spiller med dens intuitive struktur og realtidsrespons en vigtig rolle i høj-procesovervågning og mikro-nanokarakterisering. Fasemodulationsteknologi, repræsenteret af Fabry-Pérot-interferometre, overvinder begrænsningerne ved ikke-kontaktdetektion med hensyn til følsomhed og opløsning gennem præcise optiske kohærensmetoder. Denne fuldstændig -kontaktløse detektionstilstand løser ikke kun udfordringerne ved online-evaluering af komplekse buede komponenter, men giver også vigtig teoretisk support og tekniske veje til sundhedsovervågning af materialer gennem hele deres livscyklus.
