Lav bølger:En kontaktløs måde at opdage skader i gennemsigtige materialer

Gennemsigtige materialer er blevet en væsentlig komponent i en lang række teknologiske anvendelser, lige fra hverdagselektronik som tablets og smartphones til mere sofistikerede anvendelser i solpaneler, medicin, og optik. Ligesom for ethvert andet produkt, der skal masseproduceres, kvalitetskontrol er vigtig for disse materialer, og flere teknikker er blevet udviklet til at opdage mikroskopiske ridser eller ufuldkommenheder.

En attraktiv tilgang til at scanne for skader på materialer er at bruge "Lammebølger". Opkaldt efter den britiske matematiker Sir Horace Lamb, disse er elastiske bølger genereret i solide plader efter en passende mekanisk excitation. Fordi udbredelsen af ​​lammebølger påvirkes af overfladeskader (såsom ridser), de kan udnyttes til at sikre, at det scannede materiale er fri for ufuldkommenheder. Desværre, generering og efterfølgende måling af lammebølger på transparente materialer er ikke ligetil.

Mens der findes laserbaserede teknikker til at generere lammebølger på en kontaktløs måde, laserparametrene skal omhyggeligt kalibreres for hvert materiale for at undgå at forårsage skade. I øvrigt, eksisterende tilgange genererer ikke lammebølger med tilstrækkelig amplitude; som sådan, gentagne målinger skal udføres og gennemsnittet for at få pålidelige data, hvilket er tidskrævende. Hvad angår måling af de genererede Lammebølger, ingen eksisterende teknik kan hurtigt opdage og bruge dem til at lede efter skader i submillimeterskala på gennemsigtige overflader.

For at løse disse problemer, et forskerhold ledet af professor Naoki Hosoya fra Shibaura Institute of Technology og Takashi Onuma fra Photron Limited, Japan, udviklet en ny ramme til generering og detektering af "S0-tilstand" (nul-ordens symmetrisk tilstand) Lammebølger i transparente materialer. Deres tilgang er præsenteret i et papir, der for nylig er offentliggjort online i tidsskriftet Optik og lasere i teknik .

Først, holdet skulle finde en praktisk teknik til at generere lammebølger uden at beskadige prøven. Til denne ende, de udnyttede en tilgang, som de havde brugt med succes i andre bestræbelser på at generere mekaniske svingninger på en kontaktløs måde:Laser-inducerede plasma (LIP) chokbølger. For at sige det enkelt, LIP kan genereres ved at fokusere en stråle af højenergilaser på en lille mængde gas. Laserens energi giver energi til gasmolekylerne og får dem til at ionisere, skabe en ustabil "plasmaboble" tæt på materialets overflade. "Plasmaboblen udvider sig til sine omgivelser med superhøje hastigheder, generere en chokbølge, der bruges som excitationskraften til at producere Lammebølger på målstrukturen, " forklarer prof. Hosoya.

Næste, forskerne skulle måle de genererede bølger. De opnåede dette ved at bruge et højhastigheds polarisationskamera, hvilken, som navnet antyder, kan fange polariseringen af ​​lyset, der rejser gennem den gennemsigtige prøve. Denne polarisering indeholder information direkte relateret til materialets mekaniske spændingsfordeling, hvilket igen afspejler udbredelsen af ​​Lammebølger.

For at sætte deres strategi på prøve, holdet lavede mikroskopiske ridser på et par flade, gennemsigtige polycarbonatplader og sammenlignede udbredelsen af ​​lammebølger på beskadigede og uberørte prøver. Som forventet, ridserne forårsagede mærkbare forskelle i pladernes spændingsfordeling, da bølgerne forplantede sig over de beskadigede områder, demonstrerer potentialet i denne nye tilgang ved at detektere ridser, der kun måler flere dusin mikrometer.

Selvom resultaterne er spændende, yderligere undersøgelser er berettigede for at få en mere dybdegående forståelse af deres strategi og dens grænser. Prof. Hosoya siger, "Effekterne af skadens størrelse eller type, kameralinsens forstørrelse, og egenskaberne af den gennemsigtige prøve på den påviselige defektstørrelsesgrænse for vores metode skal verificeres som en del af fremtidige arbejder."

Forhåbentlig, denne geniale ikke-kontakt, ikke-destruktiv skadedetektionsordning vil hjælpe med at reducere produktionsomkostningerne for gennemsigtige materialer af høj kvalitet.