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Einführung
Die optische Detektionstechnologie spielt bei der Laser-Ultraschallprüfung (LUT) eine zentrale Rolle und bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen Sensoren. Die berührungslose optische Erkennung stört das Ultraschallfeld nicht und ermöglicht eine schnelle Bewegung der Erkennungspunkte mit präziser räumlicher Genauigkeit. Die optische Erkennung deckt einen breiten Frequenzbereich in Hochfrequenzbändern ab und ermöglicht so die Identifizierung und Analyse von Ultraschallwellen. Im Gegensatz dazu stehen piezoelektrische Sensoren aufgrund der Einschränkungen der Materialeigenschaften vor Herausforderungen bei der Erkennung hochfrequenter Signale. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit der optischen Erkennung bei verstreuten Objekten deutlich ab. Die Wirkung von Ultraschallwellen auf einen Lichtstrahl lässt sich hauptsächlich in Intensitätsmodulation und Phasen- oder Frequenzmodulation einteilen. Aufgrund der extrem hohen Lichtfrequenz können aktuelle Fotodetektoren die Lichtphase nicht direkt messen, sondern nur die Lichtintensität erfassen. Um Phaseninformationen des Lichtstrahls zu erhalten, muss der Strahl moduliert werden, um Phaseninformationen in Intensitätsinformationen umzuwandeln, die dann durch Demodulation wiederhergestellt werden.
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Intensitätsmodulationstechniken
Intensitätsmodulationstechniken erfassen Oberflächenvibrations- und Verschiebungsdaten durch Überwachung von Schwankungen der Lichtintensität. Dieser Ansatz umfasst hauptsächlich Pump-Probe-Techniken, optische Ablenkungstechniken und Oberflächengitterbeugungstechniken. Pump--Probetechniken werden verwendet, um ultraschnelle Dynamik und akustische Reaktionen im Mikro- bis Nanomaßstab zu charakterisieren. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das Prinzip darin, energiereiches Pumplicht zu verwenden, um eine vorübergehende thermoelastische Verformung oder hochfrequente Ultraschallimpulse im Material zu induzieren, gefolgt von der Probenahme mit Sondenlicht, das eine kontrollierte Zeitverzögerung aufweist. Durch den Ultraschall verursachte Brechungsindexstörungen oder -verschiebungen verändern die Reflexionseigenschaften des Sondenlichts. Durch Anpassen der Zeitverzögerung zwischen den beiden Impulsen mithilfe einer mechanischen Übersetzungsstufe kann das System die dynamische Entwicklung des Ultraschalls im Pikosekunden- oder Femtosekundenbereich aufzeichnen. Optische Ablenktechniken erfassen lokale geometrische Neigungen, die durch akustische Oberflächenwellen hervorgerufen werden. Beim Durchtritt des Ultraschalls durch den Detektionspunkt kommt es durch leichte Neigungen der Oberfläche zu einer räumlichen Ablenkung des reflektierten Lichtstrahls. Durch das Einbringen physischer Hindernisse in den Strahlengang werden Winkelverschiebungen in vom Detektor empfangene Lichtintensitätsschwankungen umgewandelt. Die Häufigkeit dieser Schwankungen spiegelt direkt die physikalischen Eigenschaften des akustischen Oberflächenfelds wider. Oberflächengitterbeugungstechniken eignen sich für Oberflächen mit periodischen Mikrostrukturen. Während sich Ultraschall ausbreitet, führt er häufig zu geringfügigen Anpassungen des Gitters, was wiederum die Winkel und die Energieverteilung der gebeugten Strahlen verändert. Durch die Überwachung von Änderungen in der Intensität des gebeugten Lichts in bestimmten Größenordnungen kann das System Informationen zur dynamischen Oberflächenverschiebung auf der Sub--Nanometerebene extrahieren.
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Phasenmodulation und Fabry-Perot-Interferometrie
Die Phasenmodulationstechnologie nutzt das Interferenzprinzip kohärenten Lichts, um durch Ultraschallschwingungen modulierte Phasenverschiebungen in Variationen der Intensität von Interferenzstreifen umzuwandeln. Diese Technologie erreicht typischerweise eine Präzision im Nanometerbereich oder sogar darunter. Die interferometrische Erkennung kann in Referenz-Lichtinterferenz und Selbst-Referenzinterferenz unterteilt werden. Referenz-{6}}Lichtinterferenzen umfassen Null-{7}Pfad--Interferenzen und Heterodyn-Interferenzen, während Selbst-{9}}Referenzschemata Verzögerungsinterferenz, adaptive holographische Interferenz und Laserstreuungserkennung umfassen. Bei Phasendemodulationsverfahren ist das Fabry-Perot-Interferometer die Kerntechnik für die Laser-Ultraschalldetektion. Mit dieser Methode wird eine kohärente Überlagerung mehrerer Strahlen durch einen Resonanzhohlraum erreicht, der aus zwei hochreflektierenden Spiegeln besteht (Abbildung 2). Wenn das Sondenlicht, das Oberflächenschwingungsphaseninformationen trägt, in den Hohlraum eintritt, werden die Strahlen mehrfach zwischen den Spiegeln reflektiert, wodurch die Interferenzstreifen extrem scharf werden. Wenn eine durch Ultraschall verursachte Verschiebung eine Phasenverschiebung verursacht, verschiebt sich der Resonanzzustand, was zu dramatischen linearen Schwankungen in der Intensität des durchgelassenen oder reflektierten Lichts führt. Im Vergleich zu herkömmlichen Michelson-Interferometern weisen Fabry-Perot-Interferometer eine höhere Toleranz gegenüber mechanischen Vibrationen in der Umgebung auf und verfügen über eine bessere optische Kollimation, was zu einer besseren Empfindlichkeit beim Umgang mit rauen Oberflächen großer Luft- und Raumfahrtkomponenten führt. Durch die Steuerung der Hohlraumlänge mit piezoelektrischer Keramik kann das System den Arbeitspunkt im empfindlichsten Bereich der Interferenzkurve fixieren und so eine Extraktion schwacher akustischer Schwingungssignale mit hoher Linearität ermöglichen. Darüber hinaus nutzen adaptive holographische Interferometer photorefraktive Kristalle zur dynamischen Aufzeichnung von Interferenzmustern und kompensieren automatisch Wellenfrontverzerrungen, die durch Umgebungsstörungen oder komplexe Oberflächenmorphologien verursacht werden, und verbessern so die Systemstabilität in rauen Industrieumgebungen. Die Laserstreuungserkennungstechnologie erfasst Schwingungsinformationen durch Analyse der dynamischen Entwicklung von Speckle-Feldverteilungen. Obwohl seine absolute Verschiebungsauflösung etwas schlechter ist als bei reinen interferometrischen Methoden, weist es eine hohe Robustheit bei der Handhabung unbearbeiteter, stark streuender Oberflächen auf und dient als ergänzender Ansatz zur Charakterisierung komplexer Luft- und Raumfahrtmaterialien (wie in Abbildung 3 dargestellt). Heterodyn-Interferometer erzeugen Schwebungssignale, indem sie einen Frequenzunterschied einführen, wodurch Probleme der Gleichstromsignaldrift wirksam behoben und die Messgenauigkeit in dynamischen Umgebungen verbessert werden.
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Zusammenfassung
Das optische Erkennungsprinzip der Laser-Ultraschallprüfung bildet ein komplettes System von der Umwandlung physikalischer Energie bis zur Signalphasendemodulation. Die Intensitätsmodulationstechnologie mit ihrer intuitiven Struktur und Echtzeitreaktion spielt eine wichtige Rolle bei der Hochgeschwindigkeits-Prozessüberwachung und der Mikro-{3}}Nanocharakterisierung. Die Phasenmodulationstechnologie, repräsentiert durch Fabry-Pérot-Interferometer, überwindet die Einschränkungen der berührungslosen Detektion in Bezug auf Empfindlichkeit und Auflösung durch präzise optische Kohärenzmethoden. Dieser vollständig berührungslose Erkennungsmodus bewältigt nicht nur die Herausforderungen der Online-Bewertung komplexer gekrümmter Komponenten, sondern bietet auch wichtige theoretische Unterstützung und technische Wege für die Gesundheitsüberwachung von Materialien während ihres gesamten Lebenszyklus.
