Ultradźwięki laserowe - Laser ultrasonics
Ultradźwięki laserowe wykorzystują lasery do generowania i wykrywania fal ultradźwiękowych . Jest to technika bezkontaktowa służąca do pomiaru grubości materiałów, wykrywania wad i przeprowadzania charakterystyki materiałów. Podstawowymi elementami systemu laserowo-ultradźwiękowego są laser generacyjny, laser detekcyjny i detektor.
Generowanie ultradźwięków za pomocą lasera
Lasery generacji to lasery o krótkim impulsie (od kilkudziesięciu nanosekund do femtosekund) i lasery o dużej mocy szczytowej. Typowe lasery używane do generowania ultradźwięków to półprzewodnikowe lasery Q-Switched Nd: YAG i lasery gazowe ( CO 2 lub Excimery ). Zasada fizyczna polega na rozszerzalności cieplnej (zwanej również reżimem termosprężystym ) lub ablacji . W reżimie termosprężystym ultradźwięki są generowane przez nagłą rozszerzalność cieplną spowodowaną nagrzaniem niewielkiej powierzchni materiału przez impuls laserowy. Jeśli moc lasera jest wystarczająca do ogrzania powierzchni powyżej temperatury wrzenia materiału, część materiału jest odparowywana (zwykle około nanometrów), a efekt odrzutu odparowywanego materiału rozprężającego się generuje ultradźwięki. W trybie ablacji plazma często tworzy się nad powierzchnią materiału, a jej ekspansja może w znacznym stopniu przyczyniać się do generowania ultradźwięków. w konsekwencji wzorce emisyjności i zawartość modalna są różne dla dwóch różnych mechanizmów.
Zawartość częstotliwości generowanych ultradźwięków jest częściowo zdeterminowana zawartością częstotliwości impulsów lasera z krótszymi impulsami dającymi wyższe częstotliwości. Do generowania bardzo wysokich częstotliwości (do 100sGHz) lasery femtosekundowe są często używane w konfiguracji pompa-sonda z systemem detekcji (patrz ultradźwięki pikosekundowe ).
Historycznie rzecz biorąc, podstawowe badania nad naturą ultradźwięków laserowych rozpoczęli w 1979 roku Richard J Dewhurst i Stuart B. Palmer. Założyli nowe laboratorium na Wydziale Fizyki Stosowanej Uniwersytetu w Hull. Dewhurst zapewnił wiedzę z zakresu materii laserowej, a Palmer - wiedzę z zakresu ultradźwięków. Badania ukierunkowane były na uzyskanie naukowego wglądu w procesy fizyczne przekształcające interakcję laser-materia w ultradźwięki. Badania miały również na celu ocenę charakterystyki ultradźwięków rozchodzących się z pola bliskiego do dalekiego. Co ważne, pomiary ilościowe przeprowadzono w latach 1979–1982. W ciałach stałych pomiary obejmowały amplitudy fal podłużnych i poprzecznych w wartościach bezwzględnych. Zbadano generowanie ultradźwięków za pomocą impulsu laserowego zarówno dla reżimu termosprężystego, jak i przejścia do reżimu plazmowego. Porównując pomiary z przewidywaniami teoretycznymi, po raz pierwszy przedstawiono opis wielkości i kierunku naprężeń prowadzących do generacji ultradźwięków. Doprowadziło to do wniosku, że ultradźwięki generowane przez laser można uznać za standardowe źródło akustyczne. Ponadto wykazali, że modyfikacja powierzchni może czasami być wykorzystywana do wzmacniania wielkości sygnałów ultradźwiękowych.
Ich badania obejmowały również pierwsze badania ilościowe indukowanych laserem fal Rayleigha, które mogą zdominować ultradźwiękowe fale powierzchniowe. W badaniach po 1982 r. Wykazano, że fale powierzchniowe mają potencjalne zastosowanie w badaniach nieniszczących. Jeden rodzaj badań obejmował oszacowanie głębokości pęknięć powierzchniowych w metalach przy użyciu sztucznych pęknięć. Zademonstrowano wymiarowanie pęknięć za pomocą szerokopasmowej ultradźwięków laserowych. Odkrycia po raz pierwszy zgłoszono na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a szczegółowe publikacje opublikowano w innym miejscu.
Ważne cechy ultradźwięków laserowych podsumowano w 1990 roku.
Wykrywanie ultradźwięków za pomocą lasera
Do badań naukowych na początku lat 80-tych wykorzystano interferometry Michelsona. Były w stanie mierzyć ilościowo sygnały ultradźwiękowe, w typowych zakresach od 20nm do 5pm. Posiadały szerokopasmowe pasmo przenoszenia, do około 50 MHz. Niestety, aby uzyskać dobre sygnały, potrzebowali próbek o wypolerowanych powierzchniach. Cierpiały z powodu poważnej utraty wrażliwości podczas stosowania na szorstkich powierzchniach przemysłowych. Znaczący przełom w zastosowaniu ultradźwięków laserowych nastąpił w 1986 r., Kiedy zademonstrowano pierwszy interferometr optyczny o rozsądnej czułości wykrywania na szorstkich powierzchniach przemysłowych. Monchalin i in. National Research Council of Canada w Boucherville wykazał, że system interferometru Fabry-Pérot może oceniać plamki optyczne powracające z szorstkich powierzchni. Dało impuls do przełożenia ultradźwięków laserowych na zastosowania przemysłowe.
Obecnie fale ultradźwiękowe można wykrywać optycznie różnymi technikami. Większość technik wykorzystuje lasery o ciągłym lub długim impulsie (zwykle dziesiątki mikrosekund), ale niektóre używają krótkich impulsów do konwersji bardzo wysokich częstotliwości na prąd stały w klasycznej konfiguracji pompa-sonda z generacją. Niektóre techniki (zwłaszcza konwencjonalne detektory Fabry-Pérot ) wymagają wysokiej stabilności częstotliwości, co zwykle wiąże się z dużą długością koherencji. Typowe techniki wykrywania obejmują: interferometrię (homodyna lub heterodyna lub Fabry-Pérot ) i odchylanie wiązki optycznej (GCLAD) lub wykrywanie krawędzi noża.
Dzięki GCLAD (laserowej detekcji akustycznej ze sprzężeniem gazowym) wiązka lasera przechodzi przez obszar, w którym chce się zmierzyć lub zarejestrować zmiany akustyczne. Fale ultradźwiękowe powodują zmiany współczynnika załamania powietrza. Kiedy laser napotyka te zmiany, wiązka nieznacznie odchyla się i przesuwa na nowy kurs. Ta zmiana jest wykrywana i przetwarzana na sygnał elektryczny przez specjalnie zbudowany fotodetektor. Umożliwia to wysoką czułość wykrywania ultradźwięków na chropowatych powierzchniach dla częstotliwości do 10 MHz.
W praktyce wybór techniki często zależy od optyki fizycznej i stanu próbki (powierzchni). Wiele technik nie działa dobrze na chropowatych powierzchniach (np. Proste interferometry) i istnieje wiele różnych schematów rozwiązania tego problemu. Na przykład kryształy fotorefrakcyjne i mieszanie czterofalowe są używane w interferometrze w celu kompensacji efektów chropowatości powierzchni. Techniki te są zwykle drogie pod względem kosztów finansowych i budżetu na światło (a zatem wymagają większej mocy lasera, aby uzyskać ten sam sygnał do szumu w idealnych warunkach).
Przy częstotliwościach od niskich do średnich (powiedzmy <1 GHz) mechanizmem wykrywania jest ruch powierzchni próbki. Przy wysokich częstotliwościach (powiedzmy> 1 GHz) mogą w grę wchodzić inne mechanizmy (na przykład modulacja współczynnika załamania światła próbki z naprężeniem).
W idealnych warunkach większość technik wykrywania można teoretycznie uznać za interferometry i jako takie, ich ostateczne czułości są z grubsza równe. Dzieje się tak, ponieważ we wszystkich tych technikach interferometria jest używana do linearyzacji funkcji przenoszenia detekcji, a po linearyzacji osiąga się maksymalną czułość. W tych warunkach szum fotonu dominuje w czułości i ma on fundamentalne znaczenie dla wszystkich optycznych technik wykrywania. Jednak ostateczna wartość graniczna jest określana przez szum wystrzału fononu . Ponieważ częstotliwość fononów jest o wiele rzędów wielkości niższa niż częstotliwość fotonów, ostateczna czułość wykrywania ultradźwiękowego może być znacznie wyższa. Zwykłą metodą zwiększania czułości wykrywania optycznego jest użycie większej mocy optycznej. Jednak SNR ograniczony szumem śrutu jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego całkowitej mocy wykrywania. Zatem zwiększenie mocy optycznej ma ograniczony wpływ, a szkodliwe poziomy mocy są łatwo osiągane przed osiągnięciem odpowiedniego SNR. W konsekwencji częste wykrywanie optyczne ma niższy SNR niż nieoptyczne techniki kontaktowe. Generacja optyczna (przynajmniej w ściśle termodynamicznym reżimie) jest proporcjonalna do zastosowanej mocy optycznej i generalnie skuteczniejsza jest poprawa wytwarzania niż wykrywania (ponownie granicą jest próg uszkodzenia).
Techniki takie jak CHOT (tanie przetworniki optyczne) mogą przezwyciężyć granicę czułości wykrywania optycznego poprzez pasywne wzmacnianie amplitudy drgań przed detekcją optyczną i mogą skutkować wzrostem czułości o kilka rzędów wielkości.
Działanie ultradźwiękowej techniki laserowej
Technika „ultradźwięków laserowych” jest częścią technik pomiarowych zwanych „ technikami nieniszczącymi lub nieniszczącymi ”, to znaczy metodami, które nie zmieniają samego stanu wielkości mierzonej. Ultradźwięki laserowe to bezkontaktowa technika inspekcji ultradźwiękowej oparta na wzbudzeniu i pomiarze ultradźwiękowym za pomocą dwóch laserów. Na badaną próbkę kierowany jest impuls laserowy, a oddziaływanie z powierzchnią generuje impuls ultradźwiękowy, który rozchodzi się przez materiał. Odczyt drgań wytwarzanych przez ultradźwięki można następnie zmierzyć za pomocą wibrometru samomieszającego: wysoka wydajność przyrządu sprawia, że nadaje się on do dokładnego pomiaru fali ultradźwiękowej, a tym samym do modelowania właściwości próbki. Kiedy wiązka lasera uderza w powierzchnię materiału, jego zachowanie może się różnić w zależności od mocy zastosowanego lasera. W przypadku dużej mocy występuje rzeczywista „ ablacja ” lub „ odparowanie ” materiału w punkcie styku między laserem a powierzchnią: powoduje to zniknięcie niewielkiej części materiału i niewielką siłę przywołania, z powodu do kompresji podłużnej, która byłaby źródłem fali ultradźwiękowej. Ta podłużna fala ma tendencję do propagowania się w normalnym kierunku do powierzchni materiału, niezależnie od kąta padania lasera: pozwoliłoby to dokładnie oszacować grubość materiału, znając prędkość propagacji fali, bez obaw o kącie padania. Zastosowanie lasera o dużej mocy, a co za tym idzie parowanie materiału, jest optymalnym sposobem uzyskania odpowiedzi ultradźwiękowej z obiektu. Aby jednak mieścić się w zakresie pomiarów nieniszczących, zaleca się uniknięcie tego zjawiska poprzez zastosowanie laserów małej mocy. W tym przypadku generacja ultradźwięków odbywa się dzięki miejscowemu przegrzaniu miejsca padania lasera: przyczyną powstawania fali jest teraz rozszerzalność cieplna materiału. W ten sposób następuje zarówno generacja fal podłużnych, podobnie jak w poprzednim przypadku, jak i powstawanie fal poprzecznych , których kąt z normalnym kierunkiem do powierzchni zależy od materiału. Po kilku chwilach energia cieplna rozprasza się, pozostawiając nienaruszoną powierzchnię: w ten sposób pomiar jest powtarzalny nieskończoną liczbę razy (przy założeniu użycia materiału dostatecznie odpornego na naprężenia termiczne) i nieniszczący, zgodnie z wymaganiami w prawie wszystkich obszarach zastosowania tej technologii. Ruch obiektu powoduje przesunięcie fazy sygnału, którego odbiornik optyczny nie może bezpośrednio zidentyfikować: w tym celu należy najpierw przekształcić modulację fazy w modulację amplitudy (w tym przypadku modulację natężenie światła ). Wykrywanie ultradźwięków można zatem podzielić na 3 etapy: konwersję z ultradźwięku na sygnał optyczny z modulacją fazową, przejście od modulacji fazy do amplitudy i wreszcie odczyt sygnału z modulacją amplitudy, a następnie przekształcenie go w sygnał elektryczny.
Zastosowania przemysłowe
Ugruntowane zastosowania ultradźwięków laserowych to inspekcje kompozytów dla przemysłu lotniczego i pomiary grubości rur gorących w trybie on-line dla przemysłu metalurgicznego. Generowanie optyczne i wykrywanie ultradźwięków oferuje techniki skanowania do tworzenia obrazów ultradźwiękowych znanych jako skany B i C oraz do badań metodą TOFD (dyfrakcji czasu przelotu). Jeden z pierwszych pokazów małych defektów (tak małych jak 3 mm x 3 mm) w kompozytach został zademonstrowany przez Dewhursta i Shana w 1993 r., Za co w 1994 r. Otrzymali wyjątkową nagrodę papierową American Society for Non-Destructive Testing. także czas, w którym istotne postępy w zakresie badań kompozytowych zostały opracowane przez National Research Council of Canada i inne kraje. Od tamtej pory w literaturze opisano szeroki zakres zastosowań.