Прозрачные материалы стали важным компонентом в самых разных технологических решениях, от электроники, такой как планшеты и смартфоны, до более сложных применений в солнечных панелях, медицине и оптике. Как и для любого другого продукта, предназначенного для массового производства, для этих материалов важен контроль качества, не удивительно, что было разработано несколько методов для обнаружения микроскопических царапин или дефектов.
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 для гарантии того, что сканируемый материал не будет иметь дефектов. К сожалению, создание и последующее измерение волн Лэмба на прозрачных материалах непросто.
Хотя 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 применяли для создания механических колебаний бесконтактным способом: ударные волны лазерно-индуцированной плазмы (LIP). Проще говоря, LIP можно получить, 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.
Исследователи из Японии использовали высокоскоростную поляризационную камеру для захвата волн Лэмба на прозрачной пластине, создаваемых ударными волнами от лазерно-индуцированной плазмы, и получили информацию о царапинах и дефектах поверхности порядка нескольких десятков микрометров. Предоставлено: профессор Наоки Хосоя, SIT.
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 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».
Будем надеяться, что эта гениальная схема бесконтактного неразрушающего обнаружения повреждений поможет снизить затраты на производство высококачественных прозрачных материалов.
Дополнительная информация: Наоки Хосоя и др., Измерения волн Лэмба в S0-моде с использованием высокоскоростной поляризационной камеры для обнаружения повреждений прозрачных материалов во время бесконтактного возбуждения на основе лазерно-индуцированной плазменной ударной волны, Оптика и лазеры в технике (2021 г.) . DOI: 10.1016 / j.optlaseng.2021.106770
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК