Одним из привлекательных подходов к поиску повреждений материалов является использование «волн Лэмба». Названные в честь британского математика сэра Горация Лэмба, эти упругие волны генерируются в твердых пластинах после соответствующего механического возбуждения. Поскольку на распространение волн Лэмба влияют повреждения поверхности (например, царапины), их можно использовать, чтобы гарантировать отсутствие дефектов в отсканированном материале. К сожалению, создание и последующее измерение волн Лэмба на прозрачных материалах непросто.
Несмотря на то, что существуют лазерные методы генерации волн Лэмба бесконтактным способом, параметры лазера необходимо тщательно откалибровать для каждого материала, чтобы избежать повреждения. Более того, существующие подходы не генерируют волны Лэмба достаточной амплитуды; поэтому для получения надежных данных необходимо проводить повторные измерения и усреднять их, что требует много времени.
Что касается измерения генерируемых волн Лэмба, ни один из существующих методов не может быстро обнаружить и использовать их для поиска субмиллиметровых повреждений на прозрачных поверхностях.Для решения этих проблем группа исследователей под руководством профессора Наоки Хосоя из технологического института Шибаура и Такаши Онума из Photron Limited, Япония, разработала новую структуру для генерации и обнаружения "S0-моды" (симметричной моды нулевого порядка) волн Лэмба. в прозрачных материалах. Их подход представлен в статье, недавно опубликованной в журнале Optics and Lasers in Engineering.Во-первых, команде нужно было найти удобный способ генерации волн Лэмба без повреждения образца.
С этой целью они использовали подход, который они успешно использовали в других попытках бесконтактно генерировать механические колебания: ударные волны лазерно-индуцированной плазмы (LIP). Проще говоря, LIP можно создать, сфокусировав луч высокоэнергетического лазера на крошечный объем газа.
Энергия лазера возбуждает молекулы газа и заставляет их ионизоваться, создавая нестабильный «плазменный пузырь» вблизи поверхности материала. «Плазменный пузырь расширяется в окружающую среду со сверхвысокой скоростью, создавая ударную волну, которая используется в качестве возбуждающей силы для создания волн Лэмба на целевой структуре», — объясняет профессор Хосоя.Затем исследователям нужно было измерить генерируемые волны.
Они достигли этого с помощью высокоскоростной поляризационной камеры, которая, как следует из названия, может фиксировать поляризацию света, проходящего через прозрачный образец. Эта поляризация содержит информацию, непосредственно связанную с распределением механических напряжений в материале, которое, в свою очередь, отражает распространение волн Лэмба.
Чтобы проверить свою стратегию, команда создала микроскопические царапины на нескольких плоских прозрачных поликарбонатных пластинах и сравнила распространение волн Лэмба на поврежденных и нетронутых образцах. Как и ожидалось, царапины вызвали заметные различия в распределении напряжений пластин по мере распространения волн по поврежденным участкам, демонстрируя потенциал этого нового подхода, обнаруживая царапины размером всего несколько десятков микрометров.
Хотя полученные данные впечатляют, необходимы дальнейшие исследования для более глубокого понимания их стратегии и ее ограничений. Профессор Хосоя говорит: «Влияние размера или типа повреждения, увеличения объектива камеры и свойств прозрачного образца на предельный размер обнаруживаемого дефекта по нашему методу необходимо проверить в рамках будущих работ».
Надеемся, что эта гениальная схема бесконтактного неразрушающего обнаружения повреждений поможет снизить затраты на производство высококачественных прозрачных материалов.