01
Sissejuhatus
Optiline tuvastustehnoloogia mängib laser-ultraheli testimises (LUT) keskset rolli ja sellel on traditsiooniliste piesoelektriliste anduritega võrreldes eelised. Kontaktivaba optiline tuvastamine ei häiri ultrahelivälja ja võimaldab tuvastuspunktidel liikuda kiiresti täpse ruumilise täpsusega. Optiline tuvastamine hõlmab laia sagedusvahemikku-kõrgsagedusribades, mistõttu on see võimeline ultrahelilaineid tuvastama ja analüüsima. Seevastu piesoelektrilistel anduritel on materjali omaduste piirangute tõttu raske{5}}kõrgsageduslike signaalide tuvastamine. Kuid optilise tuvastamise tundlikkus väheneb oluliselt hajutatud objektide käsitlemisel. Ultrahelilainete mõju valguskiirele võib peamiselt liigitada intensiivsuse modulatsiooniks ja faasi- või sagedusmodulatsiooniks. Valguse ülikõrge sageduse tõttu ei saa praegused fotodetektorid valguse faasi otseselt mõõta ja suudavad tuvastada ainult valguse intensiivsust. Valguskiire faasiteabe saamiseks tuleb kiirt moduleerida, et teisendada faasiteave intensiivsuse teabeks, mis seejärel taastatakse demoduleerimise teel.
02
Intensiivsuse modulatsiooni tehnikad
Intensiivsuse modulatsiooni tehnikad koguvad pinna vibratsiooni ja nihke andmeid, jälgides valguse intensiivsuse kõikumisi. See lähenemisviis hõlmab peamiselt pump-sondi tehnikaid, optilise läbipainde tehnikaid ja pinnavõre difraktsioonitehnikaid. Pumba-sondi tehnikaid kasutatakse ülikiire dünaamika ja mikro- nanomõõtmeliste akustiliste reaktsioonide iseloomustamiseks. Nagu on näidatud joonisel 1, hõlmab põhimõte suure-energiaga pumba valguse kasutamist, et tekitada materjalis mööduv termoelastne deformatsioon või kõrgsageduslikud ultraheliimpulssid, millele järgneb proovide võtmine sondivalgusega, millel on kontrollitud viivitus. Ultraheli põhjustatud murdumisnäitaja häired või nihked muudavad sondi valguse peegeldusomadusi. Reguleerides kahe impulsi vahelist viivitust mehaanilise translatsiooniastme abil, saab süsteem registreerida ultraheli dünaamilise arengu pikosekundi või femtosekundi skaalal. Optilise läbipainde tehnikad tuvastavad pinnaakustiliste lainete põhjustatud lokaalsed geomeetrilised kalded. Kui ultraheli läbib tuvastuspunkti, põhjustavad pinna kerged kalded peegeldunud valguskiire ruumilist kõrvalekallet. Füüsiliste takistuste sisseviimisega optilisse teekonda muudetakse nurknihked detektori poolt vastuvõetud valguse intensiivsuse kõikumiseks. Nende kõikumiste sagedus peegeldab otseselt pinna akustilise välja füüsikalisi omadusi. Pinnavõre difraktsioonitehnikad sobivad perioodiliste mikrostruktuuridega pindadele. Ultraheli levides põhjustab see sageli võre kergeid kohandusi, mis omakorda muudab hajutatud kiirte nurki ja energiajaotust. Jälgides hajutatud valguse intensiivsuse muutusi teatud järjestustes, saab süsteem eraldada teavet pinna dünaamilise nihke kohta sub-nanomeetri tasemel.
03
Faasimodulatsioon ja Fabry-Perot interferomeetria
Faasimodulatsiooni tehnoloogia kasutab koherentse valguse interferentsi põhimõtet, et teisendada ultrahelivibratsioonide poolt moduleeritud faasinihked häireribade intensiivsuse muutusteks. See tehnoloogia saavutab tavaliselt nanomeetri{1}}taseme või isegi madalama täpsuse. Interferomeetrilise tuvastamise võib jagada võrdlus-valgushäireteks ja enese-referentsihäireteks. Võrdlus-valguse häired hõlmavad null-tee-erinevushäireid ja heterodüünhäireid, samas kui enese-viiteskeemid hõlmavad viivitushäireid, adaptiivseid holograafilisi häireid ja laseri hajumise tuvastamist. Faasidemodulatsiooni skeemides on Fabry-Perot interferomeeter laser-ultraheli tuvastamise põhitehnika. Selle meetodiga saavutatakse mitme kiirte koherentne superpositsioon läbi resonantsõõnsuse, mis on moodustatud kahest väga peegeldavast peeglist (joonis 2). Kui sondi valgust kandev pinna vibratsioonifaasi teave siseneb õõnsusse, peegelduvad kiired peeglite vahel mitu korda, muutes interferentsi ääred äärmiselt teravaks. Kui ultraheli{15}}indutseeritud nihe põhjustab faasinihke, triivib resonantsi seisund, mis põhjustab läbiva või peegeldunud valguse intensiivsuse dramaatilisi lineaarseid kõikumisi. Võrreldes tavaliste Michelsoni interferomeetritega on Fabry-Perot interferomeetritel suurem taluvus keskkonna mehaaniliste vibratsioonide suhtes ja neil on suurem optiline kollimatsioon, mille tulemuseks on parem tundlikkus suurte kosmosekomponentide töötlemata pindade puhul. Reguleerides õõnsuse pikkust piesoelektrilise keraamikaga, saab süsteem lukustada tööpunkti häirekõvera kõige tundlikumas piirkonnas, võimaldades nõrkade akustiliste vibratsioonisignaalide suure{18}}lineaarsuse eraldamist. Lisaks kasutavad adaptiivsed holograafilised interferomeetrid fotorefraktiivseid kristalle häirete mustrite dünaamiliseks salvestamiseks, kompenseerides automaatselt keskkonnahäiretest või keerukatest pinnamorfoloogiatest põhjustatud lainefrondi moonutusi, parandades süsteemi stabiilsust karmides tööstuskeskkondades. Laseri hajumise tuvastamise tehnoloogia kogub vibratsiooniteavet, analüüsides täpiväljade jaotuse dünaamilist arengut. Kuigi selle absoluutse nihke eraldusvõime on pisut madalam kui puhastel interferomeetrilistel meetoditel, on sellel töötlemata, tugevalt hajuvate pindade käsitsemisel tugev vastupidavus, mis toimib täiendava lähenemisviisina keerukate kosmosematerjalide iseloomustamiseks (nagu on näidatud joonisel 3). Heterodüüni interferomeetrid genereerivad löögisignaale, luues sageduse erinevuse, lahendades tõhusalt alalisvoolu signaali triivimise probleeme ja suurendades mõõtmistäpsust dünaamilistes keskkondades.
04
Kokkuvõte
Laser-ultraheli testimise optilise tuvastamise põhimõte loob tervikliku süsteemi alates füüsilise energia muundamisest kuni signaali faasidemodulatsioonini. Intensiivsuse modulatsioonitehnoloogia oma intuitiivse ülesehituse ja reaalajas{1}}reageerimisega mängib olulist rolli-kiire protsessi jälgimisel ja mikro-nano iseloomustamisel. Faasimodulatsioonitehnoloogia, mida esindavad Fabry-Pérot interferomeetrid, ületab kontaktivaba tuvastamise piirangud tundlikkuse ja eraldusvõime osas täpsete optilise koherentsuse meetodite abil. See täielikult kontaktivaba{8}}tuvastusrežiim ei lahenda mitte ainult keeruliste kõverate komponentide veebipõhise hindamise väljakutseid, vaid pakub ka olulist teoreetilist tuge ja tehnilisi võimalusi materjalide tervise jälgimiseks kogu nende elutsükli jooksul.
