Ultradźwięki laserowe
Laser-ultrasonics wykorzystuje lasery do generowania i wykrywania fal ultradźwiękowych . Jest to bezkontaktowa technika służąca do pomiaru grubości materiałów, wykrywania wad i przeprowadzania charakterystyki materiałów. Podstawowe elementy systemu laserowo-ultradźwiękowego to laser generacyjny, laser detekcyjny i detektor.
Generowanie ultradźwięków za pomocą lasera
Lasery generacji to lasery o krótkim impulsie (od dziesiątek nanosekund do femtosekund) i lasery o dużej mocy szczytowej. Popularnymi laserami używanymi do generowania ultradźwięków są półprzewodnikowe Nd:YAG z przełączeniem Q i lasery gazowe ( CO 2 lub ekscymery ). Fizyczną zasadą jest rozszerzalność cieplna (zwana także reżimem termoelastycznym ) lub ablacja . W reżimie termoelastycznym ultradźwięki są generowane przez nagłą rozszerzalność cieplną w wyniku nagrzania niewielkiej powierzchni materiału przez impuls lasera. Jeśli moc lasera jest wystarczająca do ogrzania powierzchni powyżej temperatury wrzenia materiału, część materiału odparowuje (zwykle kilka nanometrów) i generowane są ultradźwięki w wyniku odrzutu odparowanego materiału rozszerzającego się. W reżimie ablacji plazma często tworzy się nad powierzchnią materiału, a jej ekspansja może w znacznym stopniu przyczynić się do generowania ultradźwięków. w konsekwencji emisyjności i zawartość modalna są różne dla dwóch różnych mechanizmów.
Zawartość częstotliwości generowanych ultradźwięków jest częściowo określona przez zawartość częstotliwości impulsów laserowych, przy czym krótsze impulsy dają wyższe częstotliwości. Do generowania bardzo wysokich częstotliwości (do 100 GHz) 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 ekspertyzę materii laserowej, a Palmer ekspertyzę ultradźwiękową. Badania ukierunkowano na rozwój naukowego wglądu w procesy fizyczne przekształcające interakcję lasera z materią w ultradźwięki. Badania miały również na celu ocenę charakterystyki propagacji ultradźwięków z pola bliskiego do pola 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 powstania ultradźwięków. Doprowadziło to do wniosku, że ultradźwięki generowane laserowo można uznać za standardowe źródło akustyczne. Ponadto wykazali, że czasami można zastosować modyfikację powierzchni w celu wzmocnienia wielkości sygnałów ultradźwiękowych.
Ich badania obejmowały również pierwsze badania ilościowe indukowanych laserowo fal Rayleigha, które mogą dominować nad ultradźwiękowymi falami powierzchniowymi. W badaniach po 1982 roku wykazano, że fale powierzchniowe mają potencjalne zastosowanie w testach nieniszczących. Jeden rodzaj badań obejmował oszacowanie głębokości pęknięć powierzchniowych w metalach przy użyciu sztucznych pęknięć. Zademonstrowano wielkość pęknięć za pomocą szerokopasmowego lasera ultradźwiękowego. Odkrycia zostały po raz pierwszy zgłoszone na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w Londynie, a szczegółowe publikacje zostały opublikowane w innych miejscach.
Ważne cechy ultradźwięków laserowych zostały podsumowane w 1990 roku.
Detekcja ultradźwiękowa za pomocą lasera
Do badań naukowych na początku lat 80. wykorzystywano interferometry Michelsona. Byli w stanie ilościowo mierzyć sygnały ultradźwiękowe, w typowych zakresach od 20 nm do 17:00. Posiadały szerokopasmowe pasmo przenoszenia, do około 50 MHz. Niestety, aby uzyskać dobre sygnały, wymagali próbek o wypolerowanych powierzchniach. Cierpiały na poważną utratę czułości, gdy były używane na szorstkich powierzchniach przemysłowych. Znaczący przełom w zastosowaniu ultradźwięków laserowych nastąpił w 1986 roku, kiedy zademonstrowano pierwszy interferometr optyczny zdolny do rozsądnej czułości wykrywania na chropowatych powierzchniach przemysłowych. Monchalina i in. w National Research Council of Canada w Boucherville wykazał, że system interferometru Fabry-Pérot może oceniać plamki optyczne powracające z chropowatych powierzchni. Dało to 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 wykorzystują krótkie impulsy do konwersji bardzo wysokich częstotliwości na prąd stały w klasycznej konfiguracji pompa-sonda z generacją. Niektóre techniki (zwłaszcza konwencjonalne Fabry'ego-Pérota ) wymagają stabilności przy wysokich częstotliwościach, co zwykle implikuje długą długość koherencji. Typowe techniki wykrywania obejmują: interferometrię (homodynę lub heterodynę lub Fabry-Pérot ) i odchylenie wiązki optycznej (GCLAD) lub wykrywanie krawędzi noża.
W przypadku GCLAD (laserowa detekcja akustyczna sprzężona z gazem) wiązka laserowa 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 się odchyla i przesuwa na nowy kurs. Ta zmiana jest wykrywana i przetwarzana na sygnał elektryczny przez specjalnie zbudowany fotodetektor. Umożliwia to wykrywanie ultradźwięków z wysoką czułością na nierównych powierzchniach dla częstotliwości do 10 MHz.
W praktyce o wyborze techniki często decyduje optyka fizyczna i stan próbki (powierzchni). Wiele technik nie działa dobrze na chropowatych powierzchniach (np. proste interferometry) i istnieje wiele różnych schematów rozwiązania tego problemu. Na przykład w interferometrze stosuje się kryształy fotorefrakcyjne i mieszanie czterech fal, aby skompensować wpływ 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 stosunek sygnału do szumu w idealnych warunkach).
Przy niskich i średnich częstotliwościach (powiedzmy <1 GHz) mechanizmem wykrywania jest ruch powierzchni próbki. Przy wysokich częstotliwościach (powiedzmy > 1 GHz) mogą wchodzić w grę inne mechanizmy (na przykład modulacja współczynnika załamania światła próbki pod wpływem stresu).
W idealnych warunkach większość technik wykrywania można teoretycznie uznać za interferometry i jako takie, ich ostateczne czułości są w przybliżeniu równe. Dzieje się tak, ponieważ we wszystkich tych technikach interferometria jest wykorzystywana do linearyzacji funkcji przenoszenia detekcji, a po linearyzacji osiągana jest maksymalna czułość. W tych warunkach szum fotonowy dominuje nad czułością, co ma fundamentalne znaczenie dla wszystkich technik detekcji optycznej. Jednak ostateczny limit jest określony przez szum fononu . Ponieważ częstotliwość fononów jest o wiele rzędów wielkości niższa niż częstotliwość fotonów, ostateczna czułość detekcji ultradźwiękowej może być znacznie wyższa. Zwykłą metodą zwiększania czułości detekcji optycznej jest użycie większej mocy optycznej. Jednak odgłos wystrzału ograniczał SNR jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego całkowitej mocy wykrywania. Zatem zwiększanie mocy optycznej ma ograniczony efekt, a szkodliwe poziomy mocy są łatwo osiągane przed osiągnięciem odpowiedniego SNR. W związku z tym częste wykrywanie optyczne ma niższy współczynnik SNR niż nieoptyczne techniki kontaktowe. Generacja optyczna (przynajmniej w ścisłym reżimie termodynamicznym) jest proporcjonalna do użytej mocy optycznej i generalnie bardziej wydajne jest poprawienie generowania niż detekcji (ponownie granicą jest próg uszkodzenia).
Techniki takie jak CHOT (tanie przetworniki optyczne) mogą pokonać granicę czułości detekcji optycznej poprzez bierne wzmacnianie amplitudy drgań przed detekcją optyczną i mogą skutkować zwiększeniem czułości o kilka rzędów wielkości.
Działanie techniki lasera ultradźwiękowego
Technika „laserowa ultradźwiękowa” należy do technik pomiarowych znanych jako „ techniki nieniszczące lub NDT ”, czyli metody, które nie zmieniają stanu samej wielkości mierzonej. Ultradźwięki laserowe to bezkontaktowa technika kontroli ultradźwiękowej oparta na wzbudzeniu i pomiarze ultradźwiękowym za pomocą dwóch laserów. Impuls laserowy jest kierowany na badaną próbkę, a interakcja z powierzchnią generuje impuls ultradźwiękowy, który rozchodzi się po materiale. 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 charakterystyki próbki. Kiedy wiązka lasera uderza w powierzchnię materiału, jej zachowanie może się różnić w zależności od mocy użytego lasera. W przypadku dużej mocy istnieje prawdziwy „ ablacja ” lub „ odparowanie ” materiału w punkcie padania między laserem a powierzchnią: powoduje to zanik niewielkiej części materiału i niewielką siłę przywołania, z powodu kompresji podłużnej, która byłaby źródłem ultradźwięków fala. Ta podłużna fala ma tendencję do propagacji w kierunku normalnym do powierzchni materiału, niezależnie od kąta padania lasera: pozwoliłoby to dokładnie oszacować grubość materiału, znając prędkość propagacji fali, bez martwienia się o kąt częstości występowania. Zastosowanie lasera o dużej mocy, z wynikającym z tego odparowaniem materiału, jest optymalnym sposobem uzyskania odpowiedzi ultradźwiękowej od obiektu. Aby jednak mieścić się w zakresie pomiarów nieniszczących, korzystne jest uniknięcie tego zjawiska poprzez zastosowanie laserów małej mocy. W tym przypadku generacja ultradźwięków odbywa się dzięki miejscowemu przegrzaniu punktu padania lasera: przyczyną generowania fali jest teraz rozszerzalność cieplna materiału. W ten sposób następuje zarówno generacja fal podłużnych, podobnie jak w poprzednim przypadku, jak i generacja fal podłużnych Fale poprzeczne , którego kąt z kierunkiem normalnym do powierzchni zależy od materiału. Po kilku chwilach energia cieplna rozprasza się, pozostawiając powierzchnię nienaruszoną: w ten sposób pomiar jest powtarzalny nieskończoną ilość razy (zakładając użycie materiału wystarczająco 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 w modulację natężenie światła ). Detekcję ultradźwiękową można zatem podzielić na 3 etapy: konwersja z ultradźwięków na sygnał optyczny z modulacją fazową, przejście z modulacji fazowej na amplitudową i wreszcie odczyt sygnału z modulacją amplitudową, a następnie konwersja na sygnał elektryczny.
Zastosowania przemysłowe
Dobrze ugruntowane zastosowania ultradźwięków laserowych to inspekcje kompozytów w przemyśle lotniczym i pomiary grubości gorących rur na linii w przemyśle metalurgicznym. Optyczne generowanie i wykrywanie ultradźwięków oferuje techniki skanowania do tworzenia obrazów ultradźwiękowych znanych jako skany B i C oraz do badań TOFD (dyfrakcja czasu przelotu). Jedną z pierwszych demonstracji małych defektów (nawet 3 mm x 3 mm) w kompozytach przeprowadzili Dewhurst i Shan w 1993 r., za co w 1994 r. otrzymali znakomitą nagrodę papierową od Amerykańskiego Towarzystwa Badań Nieniszczących. także czas, w którym National Research Council of Canada i inne kraje opracowały znaczące zmiany w badaniach złożonych. Od tego czasu w literaturze opisano szeroki zakres zastosowań.