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Introducción
La tecnología de detección óptica desempeña un papel central en las pruebas ultrasónicas con láser (LUT) y tiene ventajas sobre los sensores piezoeléctricos tradicionales. La detección óptica sin-contacto no interfiere con el campo ultrasónico y permite que los puntos de detección se muevan rápidamente con una precisión espacial precisa. La detección óptica cubre un amplio rango de frecuencia en bandas de alta-frecuencia, lo que la hace capaz de identificar y analizar ondas ultrasónicas. Por el contrario, los sensores piezoeléctricos enfrentan desafíos a la hora de detectar señales de alta-frecuencia debido a las limitaciones de las propiedades de los materiales. Sin embargo, la sensibilidad de la detección óptica disminuye significativamente cuando se trata de objetos dispersos. El efecto de las ondas ultrasónicas sobre un haz de luz se puede clasificar principalmente en modulación de intensidad y modulación de fase o frecuencia. Debido a la altísima frecuencia de la luz, los fotodetectores actuales no pueden medir directamente la fase de la luz y sólo pueden detectar la intensidad de la luz. Para obtener información de fase del haz de luz, el haz debe modularse para convertir la información de fase en información de intensidad, que luego se recupera mediante demodulación.
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Técnicas de modulación de intensidad
Las técnicas de modulación de intensidad adquieren datos de vibración y desplazamiento de la superficie mediante el seguimiento de las fluctuaciones en la intensidad de la luz. Este enfoque incluye principalmente técnicas de sonda de bomba-, técnicas de deflexión óptica y técnicas de difracción de rejilla de superficie. Se utilizan técnicas de sonda de bomba- para caracterizar dinámicas ultrarrápidas y respuestas acústicas de micro- a nanoescala. Como se ilustra en la Figura 1, el principio implica el uso de luz de bomba de alta-energía para inducir una deformación termoelástica transitoria o pulsos ultrasónicos de alta-frecuencia en el material, seguido de un muestreo con luz de sonda que tiene un retardo de tiempo controlado. Las alteraciones o desplazamientos del índice de refracción causados por el ultrasonido alteran las características de reflexión de la luz de la sonda. Al ajustar el retardo de tiempo entre los dos pulsos mediante una etapa de traducción mecánica, el sistema puede registrar la evolución dinámica del ultrasonido en una escala de picosegundos o femtosegundos. Las técnicas de deflexión óptica detectan inclinaciones geométricas locales inducidas por ondas acústicas superficiales. Cuando el ultrasonido pasa por el punto de detección, ligeras inclinaciones de la superficie provocan una desviación espacial del haz de luz reflejado. Al introducir obstrucciones físicas en el camino óptico, los desplazamientos angulares se convierten en fluctuaciones de intensidad de la luz que recibe el detector. La frecuencia de estas fluctuaciones refleja directamente las características físicas del campo acústico de la superficie. Las técnicas de difracción de rejilla superficial son adecuadas para superficies con microestructuras periódicas. A medida que el ultrasonido se propaga, a menudo provoca ligeros ajustes en la rejilla, lo que a su vez cambia los ángulos y la distribución de energía de los haces difractados. Al monitorear los cambios en la intensidad de la luz difractada en órdenes específicos, el sistema puede extraer información sobre el desplazamiento dinámico de la superficie a nivel sub-nanómetro.
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Modulación de fase e interferometría de Fabry-Perot
La tecnología de modulación de fase utiliza el principio de interferencia de la luz coherente para convertir los cambios de fase modulados por vibraciones ultrasónicas en variaciones en la intensidad de las franjas de interferencia. Esta tecnología normalmente logra una precisión de nivel nanométrico-o incluso inferior. La detección interferométrica se puede dividir en interferencia de luz de referencia-e interferencia de autorreferencia-. La interferencia de luz de referencia-incluye interferencia de diferencia de trayectoria-cero e interferencia heterodina, mientras que los esquemas de autorreferencia incluyen interferencia de retardo, interferencia holográfica adaptativa y detección de dispersión láser. En los esquemas de demodulación de fase, el interferómetro de Fabry-Perot es la técnica central para la detección ultrasónica con láser. Este método logra una superposición coherente de múltiples haces a través de una cavidad resonante formada por dos espejos altamente reflectantes (Figura 2). Cuando la luz de la sonda que transporta información sobre la fase de vibración de la superficie ingresa a la cavidad, los haces se reflejan varias veces entre los espejos, lo que hace que las franjas de interferencia sean extremadamente nítidas. Cuando el desplazamiento inducido por ultrasonido- provoca un cambio de fase, la condición de resonancia se desvía, lo que provoca fluctuaciones lineales dramáticas en la intensidad de la luz transmitida o reflejada. En comparación con los interferómetros Michelson convencionales, los interferómetros Fabry-Perot muestran una mayor tolerancia a las vibraciones mecánicas ambientales y poseen una mayor colimación óptica, lo que resulta en una mejor sensibilidad cuando se trata de superficies rugosas de grandes componentes aeroespaciales. Al controlar la longitud de la cavidad con cerámicas piezoeléctricas, el sistema puede bloquear el punto de operación en la región más sensible de la curva de interferencia, lo que permite una extracción de alta-linealidad de señales de vibración acústica débiles. Además, los interferómetros holográficos adaptativos utilizan cristales fotorrefractivos para registrar dinámicamente patrones de interferencia, compensando automáticamente las distorsiones del frente de onda causadas por perturbaciones ambientales o morfologías superficiales complejas, mejorando la estabilidad del sistema en entornos industriales hostiles. La tecnología de detección de dispersión láser captura información de vibración analizando la evolución dinámica de las distribuciones de campos moteados. Aunque su resolución de desplazamiento absoluto es ligeramente inferior a los métodos interferométricos puros, tiene una gran robustez cuando se manejan superficies sin procesar y altamente dispersas, lo que sirve como un enfoque complementario para caracterizar materiales aeroespaciales complejos (como se muestra en la Figura 3). Los interferómetros heterodinos generan señales de ritmo al introducir una diferencia de frecuencia, abordando de manera efectiva los problemas de deriva de la señal de CC y mejorando la precisión de las mediciones en entornos dinámicos.
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Resumen
El principio de detección óptica de las pruebas ultrasónicas con láser establece un sistema completo desde la conversión de energía física hasta la demodulación de fase de la señal. La tecnología de modulación de intensidad, con su estructura intuitiva y respuesta en tiempo real-, desempeña un papel importante en la monitorización de procesos de alta-velocidad y la micro-nano caracterización. La tecnología de modulación de fase, representada por los interferómetros Fabry-Pérot, supera las limitaciones de la detección sin-contacto en términos de sensibilidad y resolución a través de métodos precisos de coherencia óptica. Este modo de detección totalmente sin contacto no solo aborda los desafíos de la evaluación en línea de componentes curvos complejos, sino que también proporciona importante soporte teórico y vías técnicas para el monitoreo del estado de los materiales durante todo su ciclo de vida.
