01
מָבוֹא
טכנולוגיית זיהוי אופטי ממלאת תפקיד מרכזי בבדיקות אולטרסאונד בלייזר (LUT) ויש לה יתרונות על פני חיישנים פיזואלקטריים מסורתיים. זיהוי אופטי ללא-מגע אינו מפריע לשדה האולטראסוני ומאפשר לנקודות זיהוי לנוע במהירות ובדיוק מרחבי מדויק. זיהוי אופטי מכסה טווח תדרים רחב בפסי תדרים- גבוהים, מה שהופך אותו ליכול לזהות ולנתח גלים אולטרסאונדים. לעומת זאת, חיישנים פיזואלקטריים מתמודדים עם אתגרים בזיהוי אותות- בתדר גבוה עקב המגבלות של תכונות החומר. עם זאת, הרגישות של זיהוי אופטי יורדת באופן משמעותי כאשר מתמודדים עם עצמים מפוזרים. ניתן לסווג את ההשפעה של גלים קוליים על אלומת אור בעיקר לאפנון עוצמה ואפנון פאזה או תדר. בשל התדירות הגבוהה ביותר של האור, גלאי צילום נוכחיים אינם יכולים למדוד ישירות את שלב האור ויכולים לזהות רק את עוצמת האור. כדי לקבל מידע פאזה של אלומת האור, יש לאפנות את האלומה כדי להמיר מידע פאזה למידע עוצמתי, אשר לאחר מכן משוחזר באמצעות דמודולציה.
02
טכניקות אפנון אינטנסיביות
טכניקות אפנון עוצמה רוכשות נתוני רטט ותזוזה של פני השטח על ידי ניטור תנודות בעוצמת האור. גישה זו כוללת בעיקר טכניקות משאבה-, טכניקות סטייה אופטית וטכניקות עקיפה של סריג משטח. נעשה שימוש בטכניקות בדיקה של משאבה- כדי לאפיין דינמיקה מהירה במיוחד ותגובות אקוסטיות של מיקרו- עד ננו. כפי שמוצג באיור 1, העיקרון כולל שימוש באור משאבת אנרגיה גבוהה- כדי לגרום לעיוות טרמואלסטי חולף או פולסים קוליים בתדירות גבוהה- בחומר, ולאחר מכן דגימה עם אור בדיקה בעל עיכוב זמן מבוקר. הפרעות באינדקס השבירה או תזוזות הנגרמות על ידי האולטרסאונד משנות את מאפייני ההחזר של אור הגשושית. על ידי התאמת השהיית הזמן בין שני הפולסים באמצעות שלב תרגום מכני, המערכת יכולה לתעד את האבולוציה הדינמית של אולטרסאונד בסולם פיקושניות או פמטושניות. טכניקות סטייה אופטית מזהות הטיות גיאומטריות מקומיות הנגרמות על ידי גלים אקוסטיים על פני השטח. כאשר האולטרסאונד עובר דרך נקודת הזיהוי, הטיות קלות של פני השטח גורמות להסטה מרחבית של קרן האור המוחזרת. על ידי הכנסת חסימות פיזיות לנתיב האופטי, תזוזות זוויתיות מומרות לתנודות בעוצמת האור הנקלטות על ידי הגלאי. התדירות של תנודות אלה משקפת ישירות את המאפיינים הפיזיים של השדה האקוסטי פני השטח. טכניקות עקיפה של סורג משטח מתאימות למשטחים בעלי מיקרו מבנים תקופתיים. כאשר אולטרסאונד מתפשט, הוא גורם לעתים קרובות להתאמות קלות לרשת, אשר בתורו משנה את הזוויות ואת חלוקת האנרגיה של הקורות המפוזרות. על ידי ניטור שינויים בעוצמת האור המפוזר בסדרים ספציפיים, המערכת יכולה לחלץ מידע על תזוזה דינמית של פני השטח ברמת ננומטר תת -.
03
אפנון פאזה ואינטרפרומטריית Fabry-Perot
טכנולוגיית אפנון פאזות משתמשת בעקרון ההפרעות של אור קוהרנטי כדי להמיר שינויי פאזה המווסתים על ידי תנודות קוליות לשינויים בעוצמת שולי הפרעות. טכנולוגיה זו משיגה בדרך כלל דיוק ברמת ננומטר- או אפילו נמוך יותר. ניתן לחלק את הזיהוי התערבותי להפרעות-הפניות והפרעות ייחוס עצמיות-. הפרעות -הפניות כוללות הפרעות-נתיב-אפס והפרעות הטרודיניות, בעוד שסכימות הפניה עצמיות-כוללות הפרעות עיכוב, הפרעות הולוגרפיות אדפטיביות וזיהוי פיזור לייזר. בתכניות דמודולציה של פאזות, האינטרפרומטר של Fabry-Perot הוא טכניקת הליבה לזיהוי אולטרסאונד בלייזר. שיטה זו משיגה סופרפוזיציה קוהרנטית של קורות מרובות דרך חלל תהודה הנוצר על ידי שתי מראות מחזירות מאוד (איור 2). כאשר אור הבדיקה הנושא מידע פאזות רטט פני השטח נכנס לחלל, הקרניים משתקפות מספר פעמים בין המראות, מה שהופך את שולי ההפרעה לחדים ביותר. כאשר תזוזה המושרה על-קולית- גורמת להזזת פאזה, מצב התהודה נסחף, מה שמוביל לתנודות ליניאריות דרמטיות בעוצמת האור המשודר או המוחזר. בהשוואה לאינטרפרומטרים קונבנציונליים של מיכלסון, מדי אינטרפרומטרים של Fabry-Perot מראים סובלנות גבוהה יותר לרעידות מכניות סביבתיות ובעלי קולימציה אופטית גדולה יותר, וכתוצאה מכך רגישות טובה יותר כאשר מתמודדים עם משטחים מחוספסים של רכיבי תעופה וחלל גדולים. על ידי שליטה באורך החלל באמצעות קרמיקה פיזואלקטרית, המערכת יכולה לנעול את נקודת הפעולה באזור הרגיש ביותר של עקומת ההפרעות, מה שמאפשר חילוץ- בליניאריות גבוהה של אותות רטט אקוסטיים חלשים. בנוסף, אינטרפרומטרים הולוגרפיים אדפטיביים משתמשים בגבישים פוטו-שבירה כדי להקליט באופן דינמי דפוסי הפרעות, ומפצים אוטומטית על עיוותים של חזית הגל הנגרמים על ידי הפרעות סביבתיות או מורפולוגיות משטח מורכבות, ומשפרים את יציבות המערכת בסביבות תעשייתיות קשות. טכנולוגיית זיהוי פיזור לייזר לוכדת מידע רטט על ידי ניתוח האבולוציה הדינמית של התפלגות שדות כתמים. למרות שרזולוציית העקירה המוחלטת שלו נמוכה במקצת משיטות אינטרפרומטריות טהורות, יש לה חוסן חזק בטיפול במשטחים לא מעובדים ומפזרים מאוד, המשמשת כגישה משלימה לאפיון חומרים תעופה וחלל מורכבים (כמתואר באיור 3). מדי אינטרפרומטרים Heterodyne מייצרים אותות פעימה על ידי החדרת הפרש תדרים, מטפלים ביעילות בבעיות סחיפה של אותות DC ומשפרים את דיוק המדידה בסביבות דינמיות.
04
תַקצִיר
עקרון הזיהוי האופטי של בדיקות אולטרסאונד בלייזר מייסד מערכת שלמה מהמרת אנרגיה פיזית לדימודולציה פאזה של האות. טכנולוגיית אפנון אינטנסיביות, עם המבנה האינטואיטיבי ותגובתה-בזמן אמת, ממלאת תפקיד חשוב ב-ניטור תהליכים מהירים ובאפיון מיקרו-ננו. טכנולוגיית אפנון פאזה, המיוצגת על ידי Fabry-אינטרפרומטרים Pérot, מתגברת על המגבלות של זיהוי ללא-מגע במונחים של רגישות ורזולוציה באמצעות שיטות קוהרנטיות אופטית מדויקות. מצב זיהוי מלא זה ללא-מגע לא רק נותן מענה לאתגרים של הערכה מקוונת של רכיבים מעוקלים מורכבים, אלא גם מספק תמיכה תיאורטית חשובה ומסלולים טכניים לניטור בריאות של חומרים לאורך כל מחזור החיים שלהם.
