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Introduzione
La tecnologia di rilevamento ottico svolge un ruolo centrale nei test a ultrasuoni laser (LUT) e presenta vantaggi rispetto ai tradizionali sensori piezoelettrici. Il rilevamento ottico senza-contatto non interferisce con il campo ultrasonico e consente ai punti di rilevamento di spostarsi rapidamente con precisa precisione spaziale. Il rilevamento ottico copre un'ampia gamma di frequenze nelle bande ad alta-frequenza, rendendolo in grado di identificare e analizzare le onde ultrasoniche. Al contrario, i sensori piezoelettrici incontrano difficoltà nel rilevare segnali ad alta-frequenza a causa delle limitazioni delle proprietà dei materiali. Tuttavia, la sensibilità del rilevamento ottico diminuisce significativamente quando si ha a che fare con oggetti sparsi. L'effetto delle onde ultrasoniche su un fascio luminoso può essere principalmente classificato in modulazione di intensità e modulazione di fase o di frequenza. A causa della frequenza estremamente elevata della luce, gli attuali fotorilevatori non possono misurare direttamente la fase della luce e possono solo rilevare l'intensità della luce. Per ottenere informazioni di fase del fascio luminoso, è necessario modulare il fascio per convertire le informazioni di fase in informazioni di intensità, che vengono poi recuperate tramite demodulazione.
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Tecniche di modulazione dell'intensità
Le tecniche di modulazione dell'intensità acquisiscono dati sulle vibrazioni superficiali e sullo spostamento monitorando le fluttuazioni dell'intensità della luce. Questo approccio include principalmente tecniche di sonda-a pompa, tecniche di deflessione ottica e tecniche di diffrazione con reticolo superficiale. Le tecniche Pump-probe vengono utilizzate per caratterizzare la dinamica ultraveloce e le risposte acustiche da micro- a nanoscala. Come illustrato nella Figura 1, il principio prevede l'utilizzo di una pompa di luce ad alta-energia per indurre una deformazione termoelastica transitoria o impulsi ultrasonici ad alta-frequenza nel materiale, seguiti dal campionamento con la luce della sonda che ha un ritardo temporale controllato. I disturbi o gli spostamenti dell'indice di rifrazione causati dagli ultrasuoni alterano le caratteristiche di riflessione della luce della sonda. Regolando il ritardo temporale tra i due impulsi utilizzando uno stadio di traslazione meccanica, il sistema può registrare l'evoluzione dinamica degli ultrasuoni su scala di picosecondi o femtosecondi. Le tecniche di deflessione ottica rilevano inclinazioni geometriche locali indotte da onde acustiche superficiali. Quando gli ultrasuoni attraversano il punto di rilevamento, leggere inclinazioni della superficie provocano una deflessione spaziale del raggio luminoso riflesso. Introducendo ostacoli fisici nel percorso ottico, gli spostamenti angolari vengono convertiti in fluttuazioni dell'intensità luminosa ricevute dal rilevatore. La frequenza di queste fluttuazioni riflette direttamente le caratteristiche fisiche del campo acustico superficiale. Le tecniche di diffrazione tramite reticolo superficiale sono adatte per superfici con microstrutture periodiche. Mentre gli ultrasuoni si propagano, spesso provocano lievi aggiustamenti al reticolo, che a loro volta modificano gli angoli e la distribuzione dell'energia dei raggi diffratti. Monitorando i cambiamenti nell'intensità della luce diffratta a ordini specifici, il sistema può estrarre informazioni sullo spostamento dinamico della superficie a livello sub-nanometrico.
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Modulazione di fase e interferometria di Fabry-Perot
La tecnologia di modulazione di fase utilizza il principio di interferenza della luce coerente per convertire gli spostamenti di fase modulati dalle vibrazioni ultrasoniche in variazioni dell'intensità delle frange di interferenza. Questa tecnologia in genere raggiunge una precisione di livello nanometrico-o addirittura inferiore. Il rilevamento interferometrico può essere suddiviso in interferenza di riferimento-luce e interferenza di riferimento-. L'interferenza della luce di riferimento- include l'interferenza con differenza di-percorso-zero e l'interferenza eterodina, mentre gli schemi di auto-riferimento includono l'interferenza di ritardo, l'interferenza olografica adattiva e il rilevamento della diffusione laser. Negli schemi di demodulazione di fase, l'interferometro Fabry-Perot è la tecnica principale per il rilevamento laser a ultrasuoni. Questo metodo consente di ottenere una sovrapposizione coerente di fasci multipli attraverso una cavità risonante formata da due specchi altamente riflettenti (Figura 2). Quando la luce della sonda che trasporta le informazioni sulla fase di vibrazione della superficie entra nella cavità, i raggi si riflettono più volte tra gli specchi, rendendo le frange di interferenza estremamente nitide. Quando lo spostamento indotto dagli ultrasuoni-provoca uno spostamento di fase, la condizione di risonanza si sposta, portando a drammatiche fluttuazioni lineari nell'intensità della luce trasmessa o riflessa. Rispetto agli interferometri Michelson convenzionali, gli interferometri Fabry-Perot mostrano una maggiore tolleranza alle vibrazioni meccaniche ambientali e possiedono una maggiore collimazione ottica, con conseguente migliore sensibilità quando si ha a che fare con superfici ruvide di grandi componenti aerospaziali. Controllando la lunghezza della cavità con ceramiche piezoelettriche, il sistema può bloccare il punto operativo nella regione più sensibile della curva di interferenza, consentendo l'estrazione ad alta-linearità di deboli segnali di vibrazione acustica. Inoltre, gli interferometri olografici adattivi utilizzano cristalli fotorifrattivi per registrare dinamicamente modelli di interferenza, compensando automaticamente le distorsioni del fronte d'onda causate da disturbi ambientali o morfologie superficiali complesse, migliorando la stabilità del sistema in ambienti industriali difficili. La tecnologia di rilevamento della diffusione laser acquisisce informazioni sulle vibrazioni analizzando l'evoluzione dinamica delle distribuzioni del campo speckle. Sebbene la sua risoluzione di spostamento assoluto sia leggermente inferiore ai metodi interferometrici puri, ha una forte robustezza quando si maneggiano superfici non trattate e ad alta dispersione, fungendo da approccio complementare per caratterizzare materiali aerospaziali complessi (come mostrato nella Figura 3). Gli interferometri eterodina generano segnali di battimento introducendo una differenza di frequenza, risolvendo efficacemente i problemi di deriva del segnale CC e migliorando la precisione della misurazione in ambienti dinamici.
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Riepilogo
Il principio di rilevamento ottico dei test a ultrasuoni laser stabilisce un sistema completo dalla conversione dell'energia fisica alla demodulazione della fase del segnale. La tecnologia di modulazione dell'intensità, con la sua struttura intuitiva e la risposta in tempo reale-, svolge un ruolo importante nel monitoraggio dei processi ad alta-velocità e nella caratterizzazione micro-nano. La tecnologia di modulazione di fase, rappresentata dagli interferometri Fabry-Pérot, supera i limiti del rilevamento senza-contatto in termini di sensibilità e risoluzione attraverso metodi precisi di coerenza ottica. Questa modalità di rilevamento completamente senza-contatto non solo affronta le sfide della valutazione online di componenti curvi complessi, ma fornisce anche un importante supporto teorico e percorsi tecnici per il monitoraggio dello stato dei materiali durante il loro intero ciclo di vita.
