01
مقدمه
فناوری تشخیص نوری نقش اصلی را در تست اولتراسونیک لیزری (LUT) ایفا می کند و نسبت به سنسورهای پیزوالکتریک سنتی مزایایی دارد. تشخیص نوری غیرتماسی با میدان اولتراسونیک تداخلی ایجاد نمی‌کند و به نقاط تشخیص اجازه می‌دهد به سرعت با دقت مکانی دقیق حرکت کنند. تشخیص اپتیکال محدوده فرکانسی وسیعی را در باندهای فرکانس{{3}بالا پوشش می‌دهد، و قادر به شناسایی و تجزیه و تحلیل امواج اولتراسونیک است. در مقابل، حسگرهای پیزوالکتریک در تشخیص سیگنال‌های فرکانس بالا به دلیل محدودیت‌های خواص مواد با چالش‌هایی مواجه هستند. با این حال، حساسیت تشخیص نوری هنگام برخورد با اجسام پراکنده به طور قابل توجهی کاهش می یابد. اثر امواج اولتراسونیک بر پرتو نور را می توان به طور عمده به مدولاسیون شدت و مدولاسیون فاز یا فرکانس طبقه بندی کرد. به دلیل فرکانس بسیار بالای نور، آشکارسازهای نوری فعلی نمی توانند به طور مستقیم فاز نور را اندازه گیری کنند و فقط می توانند شدت نور را تشخیص دهند. برای به دست آوردن اطلاعات فاز پرتو نور، پرتو باید مدوله شود تا اطلاعات فاز را به اطلاعات شدت تبدیل کند، که سپس از طریق دمودولاسیون بازیابی می شود.
02
تکنیک های مدولاسیون شدت
تکنیک‌های مدولاسیون شدت، داده‌های ارتعاش و جابجایی سطح را با نظارت بر نوسانات شدت نور به دست می‌آورند. این رویکرد در درجه اول شامل تکنیک‌های کاوشگر پمپ، تکنیک‌های انحراف نوری، و تکنیک‌های پراش گریتینگ سطحی است. تکنیک‌های کاوشگر پمپ برای مشخص کردن دینامیک فوق سریع و پاسخ‌های صوتی میکرو{4}} به مقیاس نانو استفاده می‌شوند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، این اصل شامل استفاده از نور پمپ با انرژی بالا برای القای تغییر شکل ترموالاستیک گذرا یا پالس‌های اولتراسونیک با فرکانس بالا در مواد و به دنبال آن نمونه‌برداری با نور پروبی است که تاخیر زمانی کنترل شده دارد. اختلالات یا جابجایی های ضریب شکست ناشی از سونوگرافی، ویژگی های بازتاب نور پروب را تغییر می دهد. با تنظیم تأخیر زمانی بین دو پالس با استفاده از مرحله ترجمه مکانیکی، سیستم می‌تواند تکامل دینامیکی اولتراسوند را در مقیاس پیکوثانیه یا فمتوثانیه ثبت کند. تکنیک‌های انحراف نوری، شیب‌های هندسی محلی ناشی از امواج صوتی سطحی را شناسایی می‌کنند. هنگامی که اولتراسوند از نقطه تشخیص عبور می کند، شیب های جزئی سطح باعث انحراف فضایی پرتو نور منعکس شده می شود. با وارد کردن انسدادهای فیزیکی به مسیر نوری، جابجایی های زاویه ای به نوسانات شدت نور دریافتی توسط آشکارساز تبدیل می شوند. فرکانس این نوسانات به طور مستقیم ویژگی های فیزیکی میدان صوتی سطحی را منعکس می کند. تکنیک های پراش گریتینگ سطحی برای سطوحی با ریزساختارهای دوره ای مناسب هستند. همانطور که اولتراسوند منتشر می شود، اغلب باعث تنظیمات جزئی در توری می شود که به نوبه خود زاویه و توزیع انرژی پرتوهای پراش را تغییر می دهد. با نظارت بر تغییرات در شدت نور پراکنده در مرتبه‌های خاص، سیستم می‌تواند اطلاعات جابجایی دینامیکی سطح را در سطح زیر{18} نانومتری استخراج کند.
03
مدولاسیون فاز و تداخل سنجی Fabry-Pero
فن آوری مدولاسیون فاز از اصل تداخل نور منسجم برای تبدیل تغییر فاز مدوله شده توسط ارتعاشات اولتراسونیک به تغییرات در شدت حاشیه های تداخل استفاده می کند. این فناوری معمولاً به دقت نانومتری- یا حتی کمتر می‌رسد. تشخیص تداخل سنجی را می توان به تداخل مرجع-تداخل نور و تداخل مرجع خود- تقسیم کرد. تداخل نور مرجع شامل-مسیر-تداخل صفر و تداخل هترودین است، در حالی که طرح‌های مرجع خود- شامل تداخل تاخیری، تداخل هولوگرافی تطبیقی، و تشخیص پراکندگی لیزری است. در طرح‌های دمودولاسیون فاز، تداخل سنج فابری-پروت تکنیک اصلی برای تشخیص اولتراسونیک لیزری است. این روش برهم نهی منسجم پرتوهای متعدد را از طریق یک حفره تشدید ایجاد می کند که توسط دو آینه بسیار بازتابنده تشکیل شده است (شکل 2). هنگامی که نور پروب حامل اطلاعات فاز ارتعاش سطحی وارد حفره می شود، پرتوها چندین بار بین آینه ها منعکس می شوند و حاشیه های تداخل را بسیار تیز می کند. هنگامی که جابجایی القا شده{15}}التراسونیک باعث تغییر فاز می‌شود، شرایط تشدید تغییر می‌کند و منجر به نوسانات خطی چشمگیر در شدت نور ارسالی یا بازتابی می‌شود. در مقایسه با تداخل‌سنج‌های معمولی Michelson، تداخل‌سنج‌های Fabry-Pero تحمل بالاتری نسبت به ارتعاشات مکانیکی محیطی نشان می‌دهند و همخوانی نوری بیشتری دارند و در نتیجه هنگام برخورد با سطوح ناهموار اجزای بزرگ هوافضا حساسیت بهتری دارند. با کنترل طول حفره با سرامیک‌های پیزوالکتریک، سیستم می‌تواند نقطه عملیاتی را در حساس‌ترین ناحیه منحنی تداخل قفل کند و امکان استخراج خطی سیگنال‌های ضعیف ارتعاش صوتی را{18} فراهم کند. علاوه بر این، تداخل‌سنج‌های هولوگرافیک تطبیقی از کریستال‌های انکسار نوری برای ثبت پویا الگوهای تداخل استفاده می‌کنند و به طور خودکار اعوجاج‌های جبهه موج ناشی از اختلالات محیطی یا مورفولوژی‌های پیچیده سطح را جبران می‌کنند و پایداری سیستم را در محیط‌های صنعتی خشن بهبود می‌بخشند. فناوری تشخیص پراکندگی لیزری اطلاعات ارتعاش را با تجزیه و تحلیل تکامل دینامیکی توزیع‌های میدان لکه‌ای می‌گیرد. اگرچه قدرت تفکیک جابجایی مطلق آن کمی پایین‌تر از روش‌های تداخل سنجی خالص است، اما در هنگام کار با سطوح غیرفرآوری‌شده و بسیار پراکنده، استحکام بالایی دارد و به عنوان یک رویکرد مکمل برای توصیف مواد پیچیده هوافضا (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است) عمل می‌کند. تداخل‌سنج‌های هتروداین سیگنال‌های ضربان را با معرفی یک اختلاف فرکانس تولید می‌کنند، به طور مؤثری مسائل رانش سیگنال DC را برطرف می‌کنند و دقت اندازه‌گیری را در محیط‌های پویا افزایش می‌دهند.
04
خلاصه
اصل تشخیص نوری آزمایش اولتراسونیک لیزری یک سیستم کامل از تبدیل انرژی فیزیکی به دمدولاسیون فاز سیگنال ایجاد می کند. فناوری مدولاسیون شدت، با ساختار بصری و پاسخ{1}زمان واقعی، نقش مهمی در-پایش فرآیند با سرعت بالا و شناسایی میکرو{3}}نانو ایفا می‌کند. فناوری مدولاسیون فاز، که توسط تداخل سنج‌های Fabry-Pérot نشان داده می‌شود، بر محدودیت‌های تشخیص غیر تماسی از نظر حساسیت و وضوح از طریق روش‌های انسجام نوری دقیق غلبه می‌کند. این حالت تشخیص کاملاً غیرتماسی نه تنها به چالش‌های ارزیابی آنلاین اجزای منحنی پیچیده می‌پردازد، بلکه پشتیبانی نظری و مسیرهای فنی مهمی را برای نظارت بر سلامت مواد در کل چرخه عمر آنها فراهم می‌کند.
