01
مقدمة
تلعب تقنية الكشف البصري دورًا مركزيًا في اختبار الليزر بالموجات فوق الصوتية (LUT) ولها مزايا مقارنة بأجهزة الاستشعار الكهرضغطية التقليدية. لا يتداخل الكشف البصري بدون الاتصال- مع مجال الموجات فوق الصوتية ويسمح لنقاط الكشف بالتحرك بسرعة وبدقة مكانية دقيقة. يغطي الكشف البصري نطاقًا واسعًا من الترددات في نطاقات الترددات العالية-، مما يجعله قادرًا على تحديد الموجات فوق الصوتية وتحليلها. وفي المقابل، تواجه أجهزة الاستشعار الكهرضغطية تحديات في اكتشاف إشارات التردد العالي-بسبب القيود المفروضة على خصائص المواد. ومع ذلك، فإن حساسية الكشف البصري تقل بشكل ملحوظ عند التعامل مع الأجسام المتناثرة. يمكن تصنيف تأثير الموجات فوق الصوتية على شعاع الضوء بشكل أساسي إلى تعديل الكثافة وتعديل الطور أو التردد. نظرًا لتردد الضوء العالي للغاية، لا تستطيع أجهزة الكشف الضوئي الحالية قياس مرحلة الضوء بشكل مباشر ويمكنها فقط اكتشاف شدة الضوء. للحصول على معلومات الطور لشعاع الضوء، يجب تعديل الشعاع لتحويل معلومات الطور إلى معلومات الشدة، والتي يتم استعادتها بعد ذلك من خلال إزالة التشكيل.
02
تقنيات تعديل الشدة
تكتسب تقنيات تعديل الشدة بيانات الاهتزاز والإزاحة السطحية من خلال مراقبة التقلبات في شدة الضوء. يتضمن هذا الأسلوب بشكل أساسي تقنيات مسبار المضخة-، وتقنيات الانحراف البصري، وتقنيات حيود الشبكة السطحية. يتم استخدام تقنيات مسبار المضخة - لتوصيف ديناميكيات فائقة السرعة والاستجابات الصوتية الدقيقة - إلى النانوية. كما هو موضح في الشكل 1، يتضمن المبدأ استخدام ضوء مضخة عالي الطاقة- للحث على تشوه مرن حراري عابر أو نبضات فوق صوتية عالية التردد- في المادة، متبوعة بأخذ عينات باستخدام ضوء مسبار له تأخير زمني يمكن التحكم فيه. تؤدي اضطرابات أو إزاحات معامل الانكسار الناتجة عن الموجات فوق الصوتية إلى تغيير خصائص انعكاس ضوء المسبار. ومن خلال ضبط التأخير الزمني بين النبضتين باستخدام مرحلة الترجمة الميكانيكية، يمكن للنظام تسجيل التطور الديناميكي للموجات فوق الصوتية على مقياس البيكو ثانية أو الفيمتو ثانية. تكتشف تقنيات الانحراف البصري الميلات الهندسية المحلية الناتجة عن الموجات الصوتية السطحية. عندما تمر الموجات فوق الصوتية عبر نقطة الكشف، تتسبب الميل الطفيف للسطح في انحراف مكاني لشعاع الضوء المنعكس. ومن خلال إدخال عوائق مادية في المسار البصري، يتم تحويل الإزاحات الزاوية إلى تقلبات في شدة الضوء يتلقاها الكاشف. يعكس تكرار هذه التقلبات بشكل مباشر الخصائص الفيزيائية للمجال الصوتي السطحي. تعتبر تقنيات حيود صريف السطح مناسبة للأسطح ذات الهياكل المجهرية الدورية. مع انتشار الموجات فوق الصوتية، فإنها غالبًا ما تسبب تعديلات طفيفة على الشبكة، والتي بدورها تغير الزوايا وتوزيع الطاقة للحزم المنحرفة. من خلال مراقبة التغيرات في شدة الضوء المنحرف عند أوامر محددة، يمكن للنظام استخلاص معلومات الإزاحة الديناميكية للسطح عند مستوى النانومتر الفرعي-.
03
تعديل الطور وقياس تداخل فابري-بيرو
تستخدم تقنية تعديل الطور مبدأ التداخل للضوء المتماسك لتحويل تحولات الطور المعدلة بواسطة الاهتزازات فوق الصوتية إلى اختلافات في شدة هامش التداخل. تحقق هذه التقنية عادةً مستوى دقة نانومتري- أو حتى أقل. يمكن تقسيم اكتشاف قياس التداخل إلى -تداخل ضوئي مرجعي وتداخل مرجعي ذاتي-. يشتمل التداخل الضوئي المرجعي- على تداخل الفرق -المسار-الصفري والتداخل المتغاير، بينما تتضمن المخططات المرجعية الذاتية-تداخل التأخير والتداخل المجسم التكيفي واكتشاف تشتت الليزر. في مخططات إزالة تشكيل الطور، يعد مقياس التداخل Fabry-Perot هو التقنية الأساسية للكشف بالليزر بالموجات فوق الصوتية. تحقق هذه الطريقة تراكبًا متماسكًا لحزم متعددة من خلال تجويف رنين يتكون من مرآتين عاليتي الانعكاس (الشكل 2). عندما يدخل ضوء المسبار الذي يحمل معلومات مرحلة اهتزاز السطح إلى التجويف، تنعكس الحزم عدة مرات بين المرايا، مما يجعل أطراف التداخل حادة للغاية. عندما يؤدي الإزاحة المستحثة بالموجات فوق الصوتية إلى حدوث تحول في الطور، تنحرف حالة الرنين، مما يؤدي إلى تقلبات خطية كبيرة في شدة الضوء المرسلة أو المنعكسة. بالمقارنة مع مقاييس تداخل ميشيلسون التقليدية، تُظهر مقاييس تداخل فابري-بيرو قدرة أعلى على تحمل الاهتزازات الميكانيكية البيئية وتمتلك قدرًا أكبر من الموازاة البصرية، مما يؤدي إلى حساسية أفضل عند التعامل مع الأسطح الخشنة لمكونات الفضاء الجوي الكبيرة. من خلال التحكم في طول التجويف باستخدام السيراميك الكهرضغطي، يمكن للنظام قفل نقطة التشغيل في المنطقة الأكثر حساسية لمنحنى التداخل، مما يتيح استخلاص خطي عالي- لإشارات الاهتزاز الصوتي الضعيفة. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم مقاييس التداخل المجسمة التكيفية بلورات انكسار ضوئي لتسجيل أنماط التداخل ديناميكيًا، والتعويض تلقائيًا عن تشوهات واجهة الموجة الناتجة عن الاضطرابات البيئية أو أشكال السطح المعقدة، مما يحسن استقرار النظام في البيئات الصناعية القاسية. تلتقط تقنية الكشف عن تشتت الليزر معلومات الاهتزاز من خلال تحليل التطور الديناميكي لتوزيعات مجال البقع. على الرغم من أن دقة الإزاحة المطلقة أدنى قليلاً من طرق قياس التداخل البحتة، إلا أنها تتمتع بمتانة قوية عند التعامل مع الأسطح غير المعالجة والمتناثرة للغاية، وهي بمثابة نهج تكميلي لتوصيف المواد الفضائية المعقدة (كما هو موضح في الشكل 3). تقوم مقاييس التداخل المتغاير بتوليد إشارات نبضية عن طريق إدخال اختلاف في التردد، ومعالجة مشكلات انحراف إشارة التيار المستمر بشكل فعال وتعزيز دقة القياس في البيئات الديناميكية.
04
ملخص
ينشئ مبدأ الكشف البصري لاختبار الموجات فوق الصوتية بالليزر نظامًا كاملاً بدءًا من تحويل الطاقة المادية إلى إزالة تشكيل طور الإشارة. تلعب تقنية تعديل الكثافة، ببنيتها البديهية واستجابتها في الوقت الفعلي-، دورًا مهمًا في مراقبة العمليات عالية السرعة -وتوصيف النانو-. تتغلب تقنية تعديل الطور، ممثلة بمقاييس تداخل Fabry-Pérot، على قيود اكتشاف عدم الاتصال-من حيث الحساسية والدقة من خلال طرق التماسك البصري الدقيقة. لا يعالج وضع اكتشاف الاتصال الكامل-تحديات التقييم عبر الإنترنت للمكونات المنحنية المعقدة فحسب، بل يوفر أيضًا دعمًا نظريًا مهمًا ومسارات فنية لمراقبة صحة المواد طوال دورة حياتها بأكملها.
