01
Giới thiệu
Công nghệ phát hiện quang học đóng vai trò trung tâm trong thử nghiệm siêu âm laser (LUT) và có ưu điểm vượt trội so với các cảm biến áp điện truyền thống. Tính năng phát hiện quang học không tiếp xúc-không ảnh hưởng đến trường siêu âm và cho phép các điểm phát hiện di chuyển nhanh chóng với độ chính xác về mặt không gian. Tính năng phát hiện quang học bao phủ dải tần số rộng ở-dải tần số cao, giúp nó có khả năng xác định và phân tích sóng siêu âm. Ngược lại, cảm biến áp điện gặp phải thách thức trong việc phát hiện tín hiệu tần số cao- do những hạn chế về đặc tính vật liệu. Tuy nhiên, độ nhạy của phát hiện quang học giảm đáng kể khi xử lý các vật thể phân tán. Tác động của sóng siêu âm lên chùm ánh sáng chủ yếu có thể được phân loại thành điều chế cường độ và điều chế pha hoặc tần số. Do tần số ánh sáng cực cao, bộ tách sóng quang hiện tại không thể đo trực tiếp pha ánh sáng mà chỉ có thể phát hiện cường độ ánh sáng. Để có được thông tin về pha của chùm ánh sáng, chùm tia phải được điều chế để chuyển đổi thông tin về pha thành thông tin cường độ, sau đó được phục hồi thông qua giải điều chế.
02
Kỹ thuật điều chế cường độ
Kỹ thuật điều chế cường độ thu được dữ liệu về độ rung và dịch chuyển bề mặt bằng cách theo dõi sự dao động của cường độ ánh sáng. Cách tiếp cận này chủ yếu bao gồm các kỹ thuật-thăm dò bơm, kỹ thuật làm lệch quang học và kỹ thuật nhiễu xạ cách tử bề mặt. Kỹ thuật thăm dò bơm-được sử dụng để mô tả động lực cực nhanh và phản ứng âm thanh từ vi mô đến kích thước nano. Như minh họa trong Hình 1, nguyên tắc này liên quan đến việc sử dụng ánh sáng bơm năng lượng-cao để tạo ra biến dạng nhiệt đàn hồi nhất thời hoặc xung siêu âm tần số cao-trong vật liệu, sau đó lấy mẫu bằng ánh sáng thăm dò có độ trễ thời gian được kiểm soát. Sự nhiễu loạn hoặc dịch chuyển chiết suất do siêu âm gây ra làm thay đổi đặc tính phản xạ của ánh sáng đầu dò. Bằng cách điều chỉnh độ trễ thời gian giữa hai xung bằng giai đoạn dịch chuyển cơ học, hệ thống có thể ghi lại sự phát triển động của siêu âm trên thang đo picosecond hoặc femtosecond. Kỹ thuật làm lệch quang học phát hiện độ nghiêng hình học cục bộ gây ra bởi sóng âm bề mặt. Khi siêu âm đi qua điểm phát hiện, bề mặt bị nghiêng nhẹ sẽ gây ra sự lệch không gian của chùm ánh sáng phản xạ. Bằng cách đưa các vật cản vật lý vào đường quang, các chuyển vị góc được chuyển đổi thành các dao động cường độ ánh sáng mà máy dò nhận được. Tần số của những dao động này phản ánh trực tiếp các đặc tính vật lý của trường âm bề mặt. Kỹ thuật nhiễu xạ cách tử bề mặt phù hợp với các bề mặt có cấu trúc vi mô tuần hoàn. Khi siêu âm lan truyền, nó thường gây ra những điều chỉnh nhỏ ở cách tử, từ đó làm thay đổi góc và sự phân bố năng lượng của chùm tia nhiễu xạ. Bằng cách theo dõi những thay đổi về cường độ ánh sáng nhiễu xạ theo các mệnh lệnh cụ thể, hệ thống có thể trích xuất thông tin dịch chuyển động bề mặt ở cấp độ{18}nm dưới nanomet.
03
Điều chế pha và giao thoa kế Fabry–Perot
Công nghệ điều chế pha sử dụng nguyên lý giao thoa của ánh sáng kết hợp để chuyển đổi sự dịch pha được điều chế bằng dao động siêu âm thành các biến thể về cường độ của vân giao thoa. Công nghệ này thường đạt được độ chính xác ở cấp độ nanomet-hoặc thậm chí thấp hơn. Việc phát hiện giao thoa kế có thể được chia thành giao thoa ánh sáng-tham chiếu và giao thoa tự tham chiếu. Giao thoa ánh sáng-tham chiếu bao gồm giao thoa-đường dẫn{8}}khác biệt và giao thoa không đồng nhất, trong khi các sơ đồ tự tham chiếu-bao gồm giao thoa độ trễ, giao thoa ảnh ba chiều thích ứng và phát hiện tán xạ laser. Trong các sơ đồ giải điều chế pha, giao thoa kế Fabry–Perot là kỹ thuật cốt lõi để phát hiện siêu âm laser. Phương pháp này đạt được sự chồng chất nhất quán của nhiều chùm tia thông qua một khoang cộng hưởng được hình thành bởi hai gương có độ phản chiếu cao (Hình 2). Khi ánh sáng thăm dò mang thông tin về pha dao động bề mặt đi vào hộp, các chùm tia phản xạ nhiều lần giữa các gương, làm cho các vân giao thoa trở nên cực kỳ sắc nét. Khi sự dịch chuyển do sóng siêu âm gây ra gây ra sự lệch pha, điều kiện cộng hưởng sẽ trôi đi, dẫn đến sự dao động tuyến tính mạnh mẽ về cường độ ánh sáng truyền qua hoặc phản xạ. So với giao thoa kế Michelson thông thường, giao thoa kế Fabry–Perot cho thấy khả năng chịu rung động cơ học trong môi trường cao hơn và có độ chuẩn trực quang học lớn hơn, dẫn đến độ nhạy tốt hơn khi xử lý các bề mặt gồ ghề của các bộ phận hàng không vũ trụ lớn. Bằng cách kiểm soát chiều dài khoang bằng gốm áp điện, hệ thống có thể khóa điểm vận hành ở vùng nhạy cảm nhất của đường cong giao thoa, cho phép trích xuất tuyến tính cao các tín hiệu rung âm thanh yếu. Ngoài ra, giao thoa kế ba chiều thích ứng sử dụng tinh thể khúc xạ quang để ghi lại các mẫu giao thoa một cách linh hoạt, tự động bù các biến dạng của mặt sóng do nhiễu loạn môi trường hoặc hình thái bề mặt phức tạp, cải thiện độ ổn định của hệ thống trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Công nghệ phát hiện tán xạ bằng laze ghi lại thông tin rung động bằng cách phân tích sự phát triển động của sự phân bố trường đốm. Mặc dù độ phân giải dịch chuyển tuyệt đối của nó hơi kém hơn so với các phương pháp giao thoa kế thuần túy, nhưng nó có độ bền cao khi xử lý các bề mặt có độ phân tán cao, chưa được xử lý, đóng vai trò là phương pháp bổ sung để mô tả đặc tính của các vật liệu hàng không vũ trụ phức tạp (như trong Hình 3). Giao thoa kế dị âm tạo ra tín hiệu nhịp bằng cách tạo ra chênh lệch tần số, giải quyết hiệu quả các vấn đề lệch tín hiệu DC và nâng cao độ chính xác của phép đo trong môi trường động.
04
Bản tóm tắt
Nguyên lý phát hiện quang học của thử nghiệm siêu âm laser thiết lập một hệ thống hoàn chỉnh từ việc chuyển đổi năng lượng vật lý sang giải điều chế pha tín hiệu. Công nghệ điều chế cường độ, với cấu trúc trực quan và phản hồi-theo thời gian thực, đóng một vai trò quan trọng trong việc giám sát quy trình-tốc độ cao và mô tả đặc tính nano-vi mô. Công nghệ điều chế pha, được biểu thị bằng giao thoa kế Fabry-Pérot, khắc phục những hạn chế của tính năng phát hiện không tiếp xúc-về độ nhạy và độ phân giải thông qua các phương pháp kết hợp quang học chính xác. Chế độ phát hiện hoàn toàn không tiếp xúc này không chỉ giải quyết những thách thức trong việc đánh giá trực tuyến các bộ phận cong phức tạp mà còn cung cấp hỗ trợ lý thuyết quan trọng và lộ trình kỹ thuật để theo dõi tình trạng của vật liệu trong toàn bộ vòng đời của chúng.
