01
Introduksjon
Optisk deteksjonsteknologi spiller en sentral rolle i laser ultralydtesting (LUT) og har fordeler i forhold til tradisjonelle piezoelektriske sensorer. Optisk deteksjon uten-kontakt forstyrrer ikke ultralydfeltet og lar deteksjonspunkter bevege seg raskt med presis romlig nøyaktighet. Optisk deteksjon dekker et bredt frekvensområde i høye-frekvensbånd, noe som gjør den i stand til å identifisere og analysere ultralydbølger. Derimot møter piezoelektriske sensorer utfordringer med å oppdage høyfrekvente signaler på grunn av begrensningene i materialegenskaper. Imidlertid reduseres følsomheten til optisk deteksjon betydelig når man arbeider med spredte objekter. Effekten av ultralydbølger på en lysstråle kan hovedsakelig klassifiseres i intensitetsmodulasjon og fase- eller frekvensmodulering. På grunn av den ekstremt høye lysfrekvensen, kan ikke gjeldende fotodetektorer måle lysfasen direkte, og de kan bare detektere lysintensiteten. For å få faseinformasjon til lysstrålen, må strålen moduleres for å konvertere faseinformasjon til intensitetsinformasjon, som deretter gjenvinnes gjennom demodulering.
02
Intensitetsmodulasjonsteknikker
Intensitetsmodulasjonsteknikker innhenter overflatevibrasjons- og forskyvningsdata ved å overvåke svingninger i lysintensitet. Denne tilnærmingen inkluderer primært pumpe-sondeteknikker, optiske avbøyningsteknikker og overflategitterdiffraksjonsteknikker. Pumpe-sondeteknikker brukes til å karakterisere ultrarask dynamikk og mikro- til nanoskala akustiske responser. Som illustrert i figur 1, innebærer prinsippet bruk av høy-pumpelys for å indusere forbigående termoelastisk deformasjon eller høyfrekvente ultralydpulser i materialet, etterfulgt av prøvetaking med sondelys som har en kontrollert tidsforsinkelse. Brytningsindeksforstyrrelser eller forskyvninger forårsaket av ultralyden endrer refleksjonsegenskapene til sondelyset. Ved å justere tidsforsinkelsen mellom de to pulsene ved hjelp av et mekanisk translasjonstrinn, kan systemet registrere den dynamiske utviklingen av ultralyd på en pikosekund- eller femtosekundskala. Optiske avbøyningsteknikker oppdager lokale geometriske tilt indusert av akustiske overflatebølger. Når ultralyden passerer gjennom deteksjonspunktet, forårsaker svake skråstilling av overflaten romlig avbøyning av den reflekterte lysstrålen. Ved å introdusere fysiske hindringer i den optiske banen, konverteres vinkelforskyvninger til lysintensitetssvingninger mottatt av detektoren. Frekvensen av disse svingningene reflekterer direkte de fysiske egenskapene til det akustiske overflatefeltet. Overflategitterdiffraksjonsteknikker er egnet for overflater med periodiske mikrostrukturer. Ettersom ultralyd forplanter seg, forårsaker det ofte små justeringer av gitteret, som igjen endrer vinklene og energifordelingen til de diffrakterte strålene. Ved å overvåke endringer i intensiteten til diffraktert lys ved spesifikke ordrer, kan systemet trekke ut informasjon om overflatedynamisk forskyvning på sub-nanometernivå.
03
Fasemodulasjon og Fabry–Perot interferometri
Fasemodulasjonsteknologi bruker interferensprinsippet for koherent lys for å konvertere faseskift modulert av ultralydvibrasjoner til variasjoner i intensiteten til interferenskanter. Denne teknologien oppnår vanligvis nanometer-nivåpresisjon eller enda lavere. Interferometrisk deteksjon kan deles inn i referanse-lysinterferens og egen-referanseinterferens. Referanse-lysinterferens inkluderer null-bane-forskjellsinterferens og heterodyne interferens, mens selv-referanseskjemaer inkluderer forsinkelsesinterferens, adaptiv holografisk interferens og laserspredningsdeteksjon. I fasedemodulasjonsskjemaer er Fabry-Perot-interferometeret kjerneteknikken for laser ultralyddeteksjon. Denne metoden oppnår koherent superposisjon av flere stråler gjennom et resonanshulrom dannet av to sterkt reflekterende speil (figur 2). Når sondelyset som bærer overflatevibrasjonsfaseinformasjon kommer inn i hulrommet, reflekteres strålene flere ganger mellom speilene, noe som gjør interferenskantene ekstremt skarpe. Når ultrasonisk-indusert forskyvning forårsaker en faseforskyvning, driver resonanstilstanden, noe som fører til dramatiske lineære fluktuasjoner i den transmitterte eller reflekterte lysintensiteten. Sammenlignet med konvensjonelle Michelson-interferometre, viser Fabry-Perot-interferometre høyere toleranse for mekaniske vibrasjoner i miljøet og har større optisk kollimasjon, noe som resulterer i bedre følsomhet når de håndterer grove overflater av store romfartskomponenter. Ved å kontrollere hulromslengden med piezoelektrisk keramikk, kan systemet låse driftspunktet ved det mest følsomme området av interferenskurven, noe som muliggjør høy-linearitetsutvinning av svake akustiske vibrasjonssignaler. I tillegg bruker adaptive holografiske interferometre fotobrytende krystaller for å dynamisk registrere interferensmønstre, og kompenserer automatisk for bølgefrontforvrengninger forårsaket av miljøforstyrrelser eller komplekse overflatemorfologier, og forbedrer systemstabiliteten i tøffe industrielle miljøer. Teknologi for laserspredningsdeteksjon fanger opp vibrasjonsinformasjon ved å analysere den dynamiske utviklingen av flekkfeltfordelinger. Selv om dens absolutte forskyvningsoppløsning er litt dårligere enn rene interferometriske metoder, har den sterk robusthet når den håndterer ubehandlede, sterkt spredende overflater, og fungerer som en komplementær tilnærming for å karakterisere komplekse romfartsmaterialer (som vist i figur 3). Heterodyne interferometre genererer beat-signaler ved å introdusere en frekvensforskjell, effektivt adressere DC-signaldriftsproblemer og forbedre målenøyaktigheten i dynamiske miljøer.
04
Sammendrag
Det optiske deteksjonsprinsippet for laser-ultralydtesting etablerer et komplett system fra konvertering av fysisk energi til signalfasedemodulering. Intensitetsmodulasjonsteknologi, med sin intuitive struktur og sanntidsrespons, spiller en viktig rolle i høy-prosessovervåking og mikro-nanokarakterisering. Fasemodulasjonsteknologi, representert ved Fabry-Pérot-interferometre, overvinner begrensningene ved ikke-kontaktdeteksjon når det gjelder sensitivitet og oppløsning gjennom presise optiske koherensmetoder. Denne fullstendig kontaktfrie deteksjonsmodusen adresserer ikke bare utfordringene med elektronisk evaluering av komplekse buede komponenter, men gir også viktig teoretisk støtte og tekniske veier for helseovervåking av materialer gjennom hele livssyklusen.
