Лазерный ультразвук
Лазерно-ультразвуковая техника использует лазеры для генерации и обнаружения ультразвуковых волн. [1] Это бесконтактный метод, используемый для измерения толщины материалов, обнаружения дефектов и определения характеристик материалов. Основными компонентами лазерно-ультразвуковой системы являются лазер генерации, лазер обнаружения и детектор.
Генерация ультразвука лазером
[ редактировать ]Генерирующие лазеры имеют короткие импульсы (от десятков наносекунд до фемтосекунд) и высокие пиковые значения.мощные лазеры. Обычными лазерами, используемыми для генерации ультразвука, являются твердотельные с модуляцией добротности Nd:YAG и газовые лазеры ( CO 2 или эксимеры ). Физический принцип заключается в тепловом расширении (также называемом термоупругим режимом ) или абляции . В термоупругом режиме ультразвук генерируется внезапным тепловым расширением из-за нагрева крошечной поверхности материала лазерным импульсом. Если мощности лазера достаточно для нагрева поверхности выше точки кипения материала, некоторая часть материала испаряется (обычно на несколько нанометров) иУльтразвук генерируется эффектом отдачи расширяющегося испаряемого материала. В режиме абляции над поверхностью материала часто образуется плазма, и ее расширение может внести существенный вклад.к ультразвуковой генерации. следовательно, характеристики излучательной способности и модальное содержание различны для двух разных механизмов.
Частотный состав генерируемого ультразвука частично определяется частотным составом лазерных импульсов, причем более короткие импульсы дают более высокие частоты. Для генерации очень высоких частот (до 100 сГГц) фемтосекундные лазеры часто используются в конфигурации накачки-зонда с системой обнаружения (см. Пикосекундный ультразвук ).
Исторически фундаментальные исследования природы лазерного ультразвука были начаты в 1979 году Ричардом Дж. Дьюхерстом и Стюартом Б. Палмером. Они открыли новую лабораторию на факультете прикладной физики Университета Халла. Дьюхерст предоставил экспертные знания в области лазеров, а Палмер — в области ультразвука. Исследования были направлены на развитие научного понимания физических процессов, преобразующих взаимодействие лазера с веществом в ультразвук. Исследования также были направлены на оценку характеристик распространения ультразвука из ближнего поля в дальнее. Важно отметить, что количественные измерения проводились в период с 1979 по 1982 год. [2] [3] [4] [5] В твердых телах измерения включали амплитуды продольных и поперечных волн в абсолютном выражении. Рассмотрена генерация ультразвука лазерным импульсом как для термоупругого режима, так и при переходе в плазменный режим. [5] Путем сравнения измерений с теоретическими предсказаниями впервые было представлено описание величины и направления напряжений, приводящих к генерации ультразвука. Это привело к предположению, что лазерный ультразвук можно рассматривать как стандартный источник звука. [6] [7] [8] Кроме того, они показали, что модификацию поверхности иногда можно использовать для усиления мощности ультразвуковых сигналов. [9]
Их исследования также включали первые количественные исследования волн Рэлея, индуцированных лазером, которые могут доминировать над ультразвуковыми поверхностными волнами. Исследования, проведенные после 1982 года, показали, что поверхностные волны могут потенциально использоваться в неразрушающем контроле. Один тип исследований включал оценку глубины трещин, разрушающих поверхность металлов, с использованием искусственных трещин. Размер трещины был продемонстрирован с использованием широкополосного лазерного ультразвука. Впервые о результатах было сообщено на заседании Королевского общества в Лондоне. [10] с подробными публикациями в других местах. [11] [12] [13]
Важные особенности лазерного ультразвука были обобщены в 1990 году. [1]
Ультразвуковое обнаружение с помощью лазера
[ редактировать ]Для научных исследований в начале 1980-х годов использовались интерферометры Майкельсона. Они были способны количественно измерять ультразвуковые сигналы в типичных диапазонах от 20 нм до 17 часов. Они обладали широкополосной частотной характеристикой, примерно до 50 МГц. К сожалению, для хороших сигналов им требовались образцы с полированной поверхностью. Они серьезно теряли чувствительность при использовании на грубых промышленных поверхностях. Значительный прорыв в применении лазерного ультразвука произошел в 1986 году, когда был продемонстрирован первый оптический интерферометр, способный обеспечить разумную чувствительность обнаружения на шероховатых промышленных поверхностях. Мончалин и др. [14] [15] в Национальном исследовательском совете Канады в Бушервилле показали, что система интерферометра Фабри-Перо может оценивать оптические спеклы, возвращающиеся от шероховатых поверхностей. Это дало толчок к внедрению лазерного ультразвука в промышленное применение.
Сегодня ультразвуковые волны можно обнаружить оптически с помощью различных методов. В большинстве методов используются лазеры с непрерывными или длинными импульсами (обычно десятки микросекунд), но некоторые используют короткие импульсы для преобразования очень высоких частот в постоянный ток в классической конфигурации накачки-зонда с генерацией. Некоторые методы (особенно традиционные детекторы Фабри – Перо ) требуют высокой стабильности частоты, а это обычно подразумевает большую длину когерентности.Общие методы обнаружения включают: интерферометрию (гомодинную или гетеродинную). [16] или Фабри-Перо ) [15] и оптическое отклонение луча (GCLAD) или обнаружение ножевой кромки. [17]
С помощью ГКЛАД, [18] (Лазерно-акустическое обнаружение с газовой связью): лазерный луч проходит через область, в которой необходимо измерить или записать акустические изменения. Ультразвуковые волны создают изменения в показателе преломления воздуха. Когда лазер сталкивается с этими изменениями, луч слегка отклоняется и смещается на новый курс. Это изменение обнаруживается и преобразуется в электрический сигнал с помощью специально изготовленного фотодетектора. Это обеспечивает высокую чувствительность обнаружения ультразвука на шероховатых поверхностях на частотах до 10 МГц.
На практике выбор техники часто определяется физическими возможностями.оптика и состояние образца (поверхности). Многие методы неэффективны на шероховатых поверхностях (например, простойинтерферометры) и существует множество различных схем преодоленияэта проблема. Например, фоторефрактивные кристаллы и четырехволновое смешение используются в интерферометре для компенсации влияния шероховатости поверхности. Эти методы обычно дороги вс точки зрения денежных затрат и с точки зрения светового бюджета (таким образом, требуется большая мощность лазера для достижения того же соотношения сигнал/шум в идеальных условиях).
На низких и умеренных частотах (скажем, < 1 ГГц) механизмом обнаружения является движение поверхностиобразец. На высоких частотах (скажем, >1 ГГц) могут вступить в действие другие механизмы (например, модуляция показателя преломления образца под действием напряжения).
В идеальных обстоятельствах большинство методов обнаружения теоретически можно рассматривать как интерферометры, и поэтому их конечная чувствительность примерно одинакова. Это связано с тем, что во всех этих методах интерферометрия используется для линеаризации передаточной функции обнаружения, и при линеаризации достигается максимальная чувствительность. В этих условиях фотонный дробовой шум доминирует над чувствительностью, и это является фундаментальным для всех методов оптического обнаружения. Однако,предельный предел определяется фононным дробовым шумом . Поскольку частота фононов на много порядков ниже частоты фотонов, предельная чувствительность ультразвукового обнаружения может быть значительно выше.выше. Обычный метод повышения чувствительности оптического обнаружения заключается в использовании большей оптической мощности. Однако дробовым шумом сигнал/шум, ограниченное отношение , пропорционально квадратному корню из общей мощности обнаружения. Таким образом, увеличение оптической мощности имеет ограниченный эффект, и опасные уровни мощности легко достигаются до достижения адекватного отношения сигнал/шум.Следовательно, частое оптическое обнаружение имеет более низкое отношение сигнал/шум, чем методы неоптического контакта. Оптическая генерация (по крайней мере, в строго термодинамическом режиме) пропорциональна используемой оптической мощности икак правило, более эффективно улучшить генерацию, а не обнаружение (опять же пределом является порог повреждения).
Такие методы, как CHOT (дешевые оптические преобразователи), могут преодолеть предел чувствительности оптического обнаружения за счет пассивного усиления амплитуды вибрации перед оптическим обнаружением и могут привести к увеличению чувствительности на несколько порядков.
Ультразвуковая лазерная техника операции
[ редактировать ]
Метод «Лазерный ультразвук» является частью методов измерения, известных как « неразрушающие методы или неразрушающий контроль », то есть методов, которые не изменяют состояние самой измеряемой величины. Лазерная ультразвуковая диагностика — это метод бесконтактного ультразвукового контроля, основанный на возбуждении и ультразвуковом измерении с использованием двух лазеров. Лазерный импульс направляется на испытуемый образец, и при взаимодействии с поверхностью генерируется ультразвуковой импульс, который распространяется через материал. Показания вибраций, создаваемых ультразвуком, можно впоследствии измерить с помощью автосмешивающего виброметра: [19] высокие характеристики прибора делают его пригодным для точного измерения ультразвуковой волны и, следовательно, для моделирования характеристик образца.Когда лазерный луч попадает на поверхность материала, его поведение может варьироваться в зависимости от мощности используемого лазера. В случае большой мощности происходит настоящая « абляция » или « испарение » материала в точке падения лазера на поверхность: это вызывает исчезновение небольшой части материала и небольшую силу отзыва, обусловленную к продольному сжатию, которое и стало бы источником ультразвуковой волны. Эта продольная волна имеет тенденцию распространяться в нормальном направлении к поверхности материала независимо от угла падения лазера: это позволило бы точно оценить толщину материала, зная скорость распространения волны, не беспокоясь об угле падения. Использование мощного лазера с последующим испарением материала является оптимальным способом получения ультразвукового отклика от объекта. Однако, чтобы попасть в рамки неразрушающих измерений, предпочтительно избегать этого явления, используя лазеры малой мощности. В этом случае генерация ультразвука происходит благодаря локальному перегреву точки падения лазера: причиной генерации волны теперь является тепловое расширение материала. При этом происходит как генерация продольных волн, аналогично предыдущему случаю, так и генерация поперечные волны , угол которых с нормалью к поверхности зависит от материала.Через несколько мгновений тепловая энергия рассеивается, оставляя поверхность нетронутой: таким образом измерение повторяется бесконечное количество раз (при условии использования материала, достаточно устойчивого к термическим нагрузкам) и является неразрушающим, что требуется практически во всех областях. применения этой технологии. Движение объекта вызывает сдвиг фазы сигнала, который не может быть обнаружен непосредственно оптическим приемником: для этого необходимо сначала преобразовать фазовую модуляцию в амплитудную (в данном случае в модуляцию сила света). [19] Таким образом, ультразвуковое обнаружение можно разделить на 3 этапа: преобразование ультразвука в фазомодулированный оптический сигнал, переход от фазовой модуляции к амплитудной и, наконец, считывание амплитудно-модулированного сигнала с последующим преобразованием в электрический сигнал.
Промышленное применение
[ редактировать ]Хорошо зарекомендовавшими себя применениями лазерного ультразвука являются контроль композитов в аэрокосмической промышленности и измерение толщины горячих труб в режиме реального времени в металлургической промышленности. [20] Оптическая генерация и обнаружение ультразвука предлагают методы сканирования для получения ультразвуковых изображений, известных как B- и C-сканы, а также для исследований TOFD (дифракции времени пролета). Одна из первых демонстраций небольших дефектов (размером всего 3 х 3 мм) в композитах была продемонстрирована Дьюхерстом и Шаном в 1993 году. [21] за что они были награждены выдающейся наградой Американского общества неразрушающего контроля в 1994 году. Это было также время, когда Национальный исследовательский совет Канады разработал важные разработки в области комплексных исследований. [22] [23] и в других местах. С тех пор в литературе был описан широкий спектр применений. [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б CB Scruby и LE Drain, Laser Ultrasonics (Адам Хилгер: Бристоль), 1990.
- ^ CB Scruby, RJ Dewhurst, DA Hutchins и SB Palmer, «Количественные исследования термически генерируемых упругих волн в металлах, облученных лазером», J. Appl. Phys., 51, 6210-6216, 1980.
- ^ Д. А. Хатчинс, Р. Дж. Дьюхерст и С. Б. Палмер, «Генерация лазера как стандартный акустический источник в металлах», Appl. Физ. Летт., 38, 677–679, 1981.
- ^ Д. А. Хатчинс, Р. Дж. Дьюхерст и С. Б. Палмер, «Диаграммы направленности лазерного ультразвука в алюминии», Дж. Акустический Соц. Амер., 70, 1362-1369, 1981.
- ^ Jump up to: а б Р. Дж. Дьюхерст, Д. А. Хатчинс, С. Б. Палмер и С. Б. Скруби, «Количественные измерения форм акустических сигналов, генерируемых лазером», J. Appl. Phys., 53, 4064-4071, 1982.
- ^ А. М. Айндоу, Р. Дж. Дьюхерст, Д. А. Хатчинс и С. Б. Палмер, «Характеристики лазерно-генерируемого акустического источника в металлах», Proc of SPIE, 236, 478-485, 1981.
- ^ Д. А. Хатчинс, Р. Дж. Дьюхерст и С. Б. Палмер, «Генерация лазера как стандартный акустический источник в металлах», Appl. Физ. Летт., 38, 677–679, 1981.
- ^ CB Scruby, HNG Wadley, RJ Dewhurst, DA Hutchins и SB Palmer, «Стандартный источник акустической эмиссии, генерируемый лазером», Materials Evaluation, 39, 1250-1254, 1981
- ^ Д. А. Хатчинс, Р. Дж. Дьюхерст и С. Б. Палмер, «Генерируемый лазером ультразвук на модифицированных металлических поверхностях», Ultrasonics, 19, 103–108, 1981.
- ^ Дж. А. Купер, Р. Дж. Дьюхерст и С. Б. Палмер, «Характеристика дефектов поверхности металлов с использованием ультразвука, генерируемого лазером», Phil. Пер. Рой. Soc., Лондон, серия А, 320, 319–328, 1986.
- ^ Дж. А. Купер, Р. А. Кросби, Р. Дж. Дьюхерст, А. Д. Макки и С. Б. Палмер, «Взаимодействие поверхностных акустических волн с трещинами и щелями: бесконтактное исследование с использованием лазеров», IEEE Trans. в области ультразвука, сегнетоэлектрики и контроля частоты, UFFC-33, 462-470, 1986.
- ^ Р. Дж. Дьюхерст, К. Эдвардс и С. Б. Палмер, «Бесконтактное обнаружение трещин, разрушающих поверхность, с использованием лазерного акустического источника и электромагнитного акустического приемника», Appl. Физ. Летт., 49, 374–376, 1986.
- ^ Р. Дж. Дьюхерст, ADW Маккай и С. Б. Палмер, «Дополнительные доказательства отражения двухкомпонентных поверхностных акустических волн от щелей, разрушающих поверхность», Appl. Физ. Летт., 49, 1694–1695, 1986.
- ^ Ж.-П. Моншален, «Оптическое обнаружение ультразвука», IEEE Trans. Соникс, Ультразвук, Частота. Контроль, UFFC-33, 485-499, 1986.
- ^ Jump up to: а б Ж.-П. Мончалин и Р. Хеон, «Генерация лазера и оптическое обнаружение с помощью конфокального интерферометра Фабри-Перо», Оценка материалов, Vol. 44, 1986, с. 1232
- ^ Дж. Вагнер и Дж. Б. Спайсер, «Теоретическая чувствительность классической интерферометрии, ограниченная шумом», Журнал Оптического общества Америки B, Vol. 4, нет. 8, с. 1316, 1987.
- ^ Л. Нуи и Р. Дж. Дьюхерст, «Техника отклонения луча для фотоакустических измерений волн Лэмба», Фотоакустические и фототермические явления II, Эд. Дж. К. Мерфи и др., Серия Springer по оптическим наукам, Springer-Verlag, 62, 278-281, 1990.
- ^ Дж. Н. Кэрон, Ю. Янг, Дж. Б. Мел и К. В. Штайнер, «Газоакустическое лазерное обнаружение для ультразвукового контроля композитных материалов», Оценка материалов, Том 58, № 5, 2001, стр. 667.
- ^ Jump up to: а б Норгия, М; Банди, Ф; Песатори, А; Донати, С (май 2019 г.). «Высокочувствительный виброметр на основе FM-самосмешивающейся интерферометрии» . Физический журнал: серия конференций . 1249 (1): 012020. Бибкод : 2019JPhCS1249a2020N . дои : 10.1088/1742-6596/1249/1/012020 . ISSN 1742-6588 .
- ^ Дж. П. Мончалин, «Лазерная ультразвуковая техника: от лаборатории к промышленности», Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке, 23A, ред. Д.О. Томпсон и Д.Е. Чименти, Материалы конференции AIP, том. 700, Американский институт физики, Мелвилл, Нью-Йорк, стр. 3–31 (2004).
- ^ Р. Дж. Дьюхерст, Р. Хе и К. Шан, «Визуализация дефектов в композите из углеродного волокна с помощью лазерного ультразвука», Materials Evaluation, 51, 935-940, 1993.
- ^ К. Падиоле, П. Бушар, Р. Эон, Ж.-П. Мончалин, Ф.Х. Чанг, Т.Э. Дрейк и К.И. Макрей, «Лазерный ультразвуковой контроль графитовых эпоксидных ламинатов», в «Обзоре прогресса в количественной неразрушающей оценке», том., 12, ред. Д.О. Томпсон и Д.Е. Чименти, Пленум, Нью-Йорк, стр. 1345–1352, 1993.
- ^ Ф. Х. Чанг, Т. Е. Дрейк, М. А. Остеркамп, Р. С. Провант, Ж.-П. Моншалин, Р. Эон, П. Бушар, К. Падиоло, Д. А. Фрум, В. Фрейзер и Дж. П. Бартон, «Лазерный ультразвуковой контроль сотовых авиационных конструкций» в «Обзоре прогресса в количественной неразрушающей оценке», том. 12, ред. Д.О. Томпсон и Д.Е. Чименти, Пленум, Нью-Йорк, стр. 611–616, 1993 г.
- ^ Ж.-П. Мончалин, «Лазерная ультразвуковая техника: принципы и промышленное применение», «Неразрушающий контроль материалов», том 17, Справочник ASM, будет опубликован в 2018 г.