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Introduction
La technologie de détection optique joue un rôle central dans les tests laser par ultrasons (LUT) et présente des avantages par rapport aux capteurs piézoélectriques traditionnels. La détection optique sans-contact n'interfère pas avec le champ ultrasonique et permet aux points de détection de se déplacer rapidement avec une précision spatiale précise. La détection optique couvre une large gamme de fréquences dans les bandes de hautes-fréquences, ce qui la rend capable d'identifier et d'analyser les ondes ultrasonores. En revanche, les capteurs piézoélectriques sont confrontés à des difficultés pour détecter les signaux à haute fréquence-en raison des limitations des propriétés des matériaux. Cependant, la sensibilité de la détection optique diminue considérablement lorsqu’il s’agit d’objets dispersés. L’effet des ondes ultrasonores sur un faisceau lumineux peut être principalement classé en modulation d’intensité et modulation de phase ou de fréquence. En raison de la fréquence extrêmement élevée de la lumière, les photodétecteurs actuels ne peuvent pas mesurer directement la phase de la lumière et ne peuvent détecter que l’intensité lumineuse. Pour obtenir des informations de phase du faisceau lumineux, le faisceau doit être modulé pour convertir les informations de phase en informations d'intensité, qui sont ensuite récupérées par démodulation.
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Techniques de modulation d'intensité
Les techniques de modulation d'intensité acquièrent des données sur les vibrations et les déplacements de surface en surveillant les fluctuations de l'intensité lumineuse. Cette approche comprend principalement des techniques de pompe-sonde, des techniques de déviation optique et des techniques de diffraction de réseau de surface. Les techniques de pompe-sonde sont utilisées pour caractériser la dynamique ultrarapide et les réponses acoustiques micro- à l'échelle nanométrique. Comme illustré sur la figure 1, le principe consiste à utiliser une lumière de pompe à haute énergie - pour induire une déformation thermoélastique transitoire ou des impulsions ultrasonores à haute - fréquence dans le matériau, suivie d'un échantillonnage avec une lumière de sonde qui a un délai contrôlé. Les perturbations ou déplacements de l'indice de réfraction provoqués par les ultrasons modifient les caractéristiques de réflexion de la lumière de la sonde. En ajustant le délai entre les deux impulsions à l’aide d’un étage de translation mécanique, le système peut enregistrer l’évolution dynamique des ultrasons à l’échelle picoseconde ou femtoseconde. Les techniques de déflexion optique détectent les inclinaisons géométriques locales induites par les ondes acoustiques de surface. Lorsque les ultrasons traversent le point de détection, de légères inclinaisons de la surface provoquent une déviation spatiale du faisceau lumineux réfléchi. En introduisant des obstructions physiques dans le chemin optique, les déplacements angulaires sont convertis en fluctuations d'intensité lumineuse reçues par le détecteur. La fréquence de ces fluctuations reflète directement les caractéristiques physiques du champ acoustique de surface. Les techniques de diffraction par réseau de surface conviennent aux surfaces présentant des microstructures périodiques. À mesure que les ultrasons se propagent, ils provoquent souvent de légers ajustements du réseau, ce qui modifie à son tour les angles et la répartition de l'énergie des faisceaux diffractés. En surveillant les changements dans l'intensité de la lumière diffractée selon des ordres spécifiques, le système peut extraire des informations sur le déplacement dynamique de la surface à un niveau inférieur au nanomètre -.
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Modulation de phase et interférométrie Fabry – Perot
La technologie de modulation de phase utilise le principe d'interférence de la lumière cohérente pour convertir les déphasages modulés par les vibrations ultrasoniques en variations de l'intensité des franges d'interférence. Cette technologie atteint généralement une précision de niveau nanométrique-, voire inférieure. La détection interférométrique peut être divisée en interférences lumineuses de référence-et en interférences d'auto-référence. Les interférences lumineuses de référence{{6}incluent les interférences de différence de chemin{{8}zéro-et les interférences hétérodynes, tandis que les schémas d'auto-référence incluent les interférences de retard, les interférences holographiques adaptatives et la détection de diffusion laser. Dans les schémas de démodulation de phase, l'interféromètre Fabry – Perot est la technique de base pour la détection ultrasonore laser. Cette méthode permet d'obtenir une superposition cohérente de plusieurs faisceaux à travers une cavité résonante formée de deux miroirs hautement réfléchissants (Figure 2). Lorsque la lumière de la sonde transportant les informations sur la phase de vibration de surface pénètre dans la cavité, les faisceaux se reflètent plusieurs fois entre les miroirs, rendant les franges d'interférence extrêmement nettes. Lorsque le déplacement induit par les ultrasons provoque un déphasage, la condition de résonance dérive, entraînant des fluctuations linéaires spectaculaires de l'intensité de la lumière transmise ou réfléchie. Par rapport aux interféromètres Michelson conventionnels, les interféromètres Fabry-Pérot présentent une plus grande tolérance aux vibrations mécaniques environnementales et possèdent une plus grande collimation optique, ce qui se traduit par une meilleure sensibilité lorsqu'il s'agit de surfaces rugueuses de grands composants aérospatiaux. En contrôlant la longueur de la cavité avec des céramiques piézoélectriques, le système peut verrouiller le point de fonctionnement dans la région la plus sensible de la courbe d'interférence, permettant ainsi une extraction à haute linéarité des signaux de vibration acoustiques faibles. De plus, les interféromètres holographiques adaptatifs utilisent des cristaux photoréfractifs pour enregistrer dynamiquement des modèles d'interférence, compensant automatiquement les distorsions du front d'onde causées par des perturbations environnementales ou des morphologies de surface complexes, améliorant ainsi la stabilité du système dans des environnements industriels difficiles. La technologie de détection par diffusion laser capture les informations de vibration en analysant l’évolution dynamique des distributions de champs de speckle. Bien que sa résolution de déplacement absolu soit légèrement inférieure aux méthodes interférométriques pures, elle présente une grande robustesse lors de la manipulation de surfaces non traitées et hautement diffusantes, servant d'approche complémentaire pour caractériser des matériaux aérospatiaux complexes (comme le montre la figure 3). Les interféromètres hétérodyne génèrent des signaux de battement en introduisant une différence de fréquence, résolvant efficacement les problèmes de dérive du signal CC et améliorant la précision des mesures dans des environnements dynamiques.
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Résumé
Le principe de détection optique des tests laser par ultrasons établit un système complet depuis la conversion de l'énergie physique jusqu'à la démodulation de phase du signal. La technologie de modulation d'intensité, avec sa structure intuitive et sa réponse en-temps réel, joue un rôle important dans la surveillance des processus-à grande vitesse et la caractérisation des micro-nano. La technologie de modulation de phase, représentée par les interféromètres Fabry-Pérot, surmonte les limites de la détection sans-contact en termes de sensibilité et de résolution grâce à des méthodes de cohérence optique précises. Ce mode de détection entièrement sans contact-répond non seulement aux défis de l'évaluation en ligne de composants courbes complexes, mais fournit également un support théorique important et des voies techniques pour la surveillance de l'état des matériaux tout au long de leur cycle de vie.
