01
Invoering
Optische detectietechnologie speelt een centrale rol bij laser ultrasoon testen (LUT) en heeft voordelen ten opzichte van traditionele piëzo-elektrische sensoren. Optische detectie zonder- interfereert niet met het ultrasone veld en zorgt ervoor dat detectiepunten snel en met nauwkeurige ruimtelijke nauwkeurigheid kunnen bewegen. Optische detectie bestrijkt een breed frequentiebereik in hoge-frequentiebanden, waardoor ultrasone golven kunnen worden geïdentificeerd en geanalyseerd. Piëzo-elektrische sensoren worden daarentegen geconfronteerd met uitdagingen bij het detecteren van hoogfrequente signalen vanwege de beperkingen van materiaaleigenschappen. De gevoeligheid van optische detectie neemt echter aanzienlijk af bij het omgaan met verspreide objecten. Het effect van ultrasone golven op een lichtbundel kan hoofdzakelijk worden ingedeeld in intensiteitsmodulatie en fase- of frequentiemodulatie. Vanwege de extreem hoge lichtfrequentie kunnen de huidige fotodetectoren de fase van het licht niet rechtstreeks meten en alleen de lichtintensiteit detecteren. Om fase-informatie van de lichtbundel te verkrijgen, moet de bundel worden gemoduleerd om fase-informatie om te zetten in intensiteitsinformatie, die vervolgens wordt teruggewonnen door middel van demodulatie.
02
Intensiteitsmodulatietechnieken
Intensiteitsmodulatietechnieken verzamelen gegevens over oppervlaktetrillingen en verplaatsingen door fluctuaties in de lichtintensiteit te monitoren. Deze aanpak omvat voornamelijk pomp-sondetechnieken, optische afbuigingstechnieken en oppervlakteroosterdiffractietechnieken. Pomp-sondetechnieken worden gebruikt om ultrasnelle dynamiek en akoestische reacties op micro- tot nanoschaal te karakteriseren. Zoals geïllustreerd in figuur 1 omvat het principe het gebruik van hoog-energiepomplicht om voorbijgaande thermo-elastische vervorming of hoog-ultrasone pulsen met hoge frequentie in het materiaal te veroorzaken, gevolgd door bemonstering met sondelicht dat een gecontroleerde tijdsvertraging heeft. Brekingsindexverstoringen of verplaatsingen veroorzaakt door ultrageluid veranderen de reflectiekarakteristieken van het sondelicht. Door de tijdsvertraging tussen de twee pulsen aan te passen met behulp van een mechanische translatietrap, kan het systeem de dynamische evolutie van ultrageluid op picoseconde- of femtosecondeschaal registreren. Optische afbuigingstechnieken detecteren lokale geometrische kantelingen veroorzaakt door akoestische oppervlaktegolven. Wanneer het ultrageluid het detectiepunt passeert, veroorzaken kleine kantelingen van het oppervlak een ruimtelijke afbuiging van de gereflecteerde lichtbundel. Door fysieke obstakels in het optische pad te introduceren, worden hoekverplaatsingen omgezet in fluctuaties in de lichtintensiteit die door de detector worden ontvangen. De frequentie van deze fluctuaties weerspiegelt rechtstreeks de fysieke kenmerken van het akoestische veld aan het oppervlak. Oppervlakteroosterdiffractietechnieken zijn geschikt voor oppervlakken met periodieke microstructuren. Naarmate ultrageluid zich voortplant, veroorzaakt dit vaak kleine aanpassingen aan het rooster, waardoor de hoeken en de energieverdeling van de afgebogen bundels veranderen. Door veranderingen in de intensiteit van afgebogen licht in specifieke ordes te monitoren, kan het systeem dynamische verplaatsingsinformatie over het oppervlak extraheren op sub-nanometerniveau.
03
Fasemodulatie en Fabry-Perot-interferometrie
Fasemodulatietechnologie maakt gebruik van het interferentieprincipe van coherent licht om door ultrasone trillingen gemoduleerde faseverschuivingen om te zetten in variaties in de intensiteit van interferentieranden. Deze technologie bereikt doorgaans een precisie op nanometerniveau- of zelfs lager. Interferometrische detectie kan worden onderverdeeld in referentie-lichtinterferentie en zelf-referentie-interferentie. Referentie-lichtinterferentie omvat nul-pad-verschilinterferentie en heterodyne-interferentie, terwijl zelf-zelfreferentieschema's vertragingsinterferentie, adaptieve holografische interferentie en laserverstrooiingsdetectie omvatten. In fasedemodulatieschema's is de Fabry-Perot-interferometer de kerntechniek voor laser-ultrasone detectie. Deze methode bereikt een coherente superpositie van meerdere bundels door een resonante holte gevormd door twee sterk reflecterende spiegels (Figuur 2). Wanneer het sondelicht, dat informatie over de fase van de trilling van het oppervlak draagt, de holte binnenkomt, reflecteren de bundels meerdere keren tussen de spiegels, waardoor de interferentieranden extreem scherp worden. Wanneer ultrasone -geïnduceerde verplaatsing een faseverschuiving veroorzaakt, verandert de resonantieconditie, wat leidt tot dramatische lineaire fluctuaties in de intensiteit van het doorgelaten of gereflecteerde licht. Vergeleken met conventionele Michelson-interferometers vertonen Fabry-Perot-interferometers een hogere tolerantie voor mechanische trillingen uit de omgeving en beschikken ze over een grotere optische collimatie, wat resulteert in een betere gevoeligheid bij het omgaan met ruwe oppervlakken van grote lucht- en ruimtevaartcomponenten. Door de lengte van de holte te regelen met piëzo-elektrisch keramiek, kan het systeem het werkpunt op het meest gevoelige gebied van de interferentiecurve vergrendelen, waardoor een hoge-lineariteitsextractie van zwakke akoestische trillingssignalen mogelijk wordt. Bovendien gebruiken adaptieve holografische interferometers fotorefractieve kristallen om interferentiepatronen dynamisch vast te leggen, waardoor golffrontvervormingen veroorzaakt door omgevingsstoringen of complexe oppervlaktemorfologieën automatisch worden gecompenseerd, waardoor de systeemstabiliteit in zware industriële omgevingen wordt verbeterd. Laserverstrooiingsdetectietechnologie legt trillingsinformatie vast door de dynamische evolutie van spikkelveldverdelingen te analyseren. Hoewel de absolute verplaatsingsresolutie enigszins inferieur is aan die van pure interferometrische methoden, heeft deze een sterke robuustheid bij het hanteren van onverwerkte, sterk verstrooiende oppervlakken, wat dient als een aanvullende benadering om complexe ruimtevaartmaterialen te karakteriseren (zoals weergegeven in figuur 3). Heterodyne interferometers genereren pulssignalen door een frequentieverschil te introduceren, waardoor problemen met DC-signaaldrift effectief worden aangepakt en de meetnauwkeurigheid in dynamische omgevingen wordt verbeterd.
04
Samenvatting
Het optische detectieprincipe van laser-ultrasoon testen vormt een compleet systeem, van de omzetting van fysieke energie tot signaalfasedemodulatie. Intensiteitsmodulatietechnologie speelt, met zijn intuïtieve structuur en realtime respons, een belangrijke rol bij procesmonitoring op hoge-snelheid en micro-nano-karakterisering. Fasemodulatietechnologie, vertegenwoordigd door Fabry-Pérot-interferometers, overwint de beperkingen van contactloze detectie in termen van gevoeligheid en resolutie door middel van nauwkeurige optische coherentiemethoden. Deze volledig contactloze detectiemodus pakt niet alleen de uitdagingen aan van online evaluatie van complexe gebogen componenten, maar biedt ook belangrijke theoretische ondersteuning en technische trajecten voor de gezondheidsmonitoring van materialen gedurende hun gehele levenscyclus.
