Detección óptica de ultrasonido generado por láser mediante fotodetectores adaptivos.

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1 5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico Detección óptica de ultrasonido generado por láser mediante fotodetectores adaptivos. Ponciano RODRIGUEZ MONTERO Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electrónica. A.P. 51, Puebla 72000, Pue. México Correo electrónico: ponciano@inaoep.mx Resumen Se describe la aplicación de los fotodetectores adaptivos basados en el efecto de fuerza fotoelectromotriz de estado no estacionario para la detección de ultrasonido generado por láser en muestras sólidas. Usando un fotodetector de CdTe:V demostramos que el desplazamiento mínimo detectable es 1 nm en un ancho de banda de 30 MHz con 0.1 mw de potencia de luz en el fotodetector. También demostramos experimentalmente la detección de ondas ultrasónicas en muestras en movimiento con velocidades hasta de 10 m/s 1. Introducción La detección de ultrasonido mediante técnicas ópticas ha sido ampliamente usada para la evaluación no destructiva de objetos sólidos (detección de defectos internos, determinación de espesores, evaluación de la fatiga del material, etc.). Estas técnicas, remotas y sin contacto, permiten inspeccionar muestras con formas irregulares que pueden estar dentro de ambientes hostiles o agresivos. Las técnicas ópticas de detección basadas en interferometría convencional presentan serios inconvenientes para compensar las vibraciones de la muestra a inspeccionar, las distorsiones del haz láser debido al reflejo de superficies rugosas (moteado), y las perturbaciones del ambiente donde se realiza la evaluación [1]. En este trabajo describimos la aplicación de los denominados fotodetectores adaptivos para la detección óptica de ultrasonido generado por láser. 2. Fotodetectores adaptivos Los fotodetectores en cuestión están basados en el efecto de fuerza fotoelectromotriz de estado no estacionario [2]. Este efecto consiste en la generación de una corriente eléctrica a través de una muestra fotoconductora cuando ésta es iluminada por un patrón de luz no uniforme y vibrante. Estos fotodetectores pueden considerarse como sensores de movimiento: cuando el patrón de luz que incide sobre ellos es estático no se produce corriente eléctrica alguna, pero cuando el patrón de luz se desplaza lateralmente se produce entonces una corriente eléctrica. La Fig. 1 muestra un esquema de un arreglo óptico para observar el efecto de fuerza fotoelectromotriz y para la caracterización de los detectores basados en este efecto. En este arreglo, el haz de un láser de onda continua se divide en dos. Uno de los haces (el haz de señal) incide en un espejo pegado a un transductor piezoeléctrico e interfiere con el otro haz (el haz de referencia) en la superficie del fotodetector. El transductor piezoeléctrico induce vibraciones de amplitud a la frecuencia en el haz de señal; como una consecuencia de esto se produce un desplazamiento en las franjas de interferencia, generando así una corriente eléctrica a través del fotodetector.

2 Cristal R L Laser G.F. Lock-in Fig. 1. Esquema del arreglo experimental para observar el efecto de fuerza foto-electromotriz de estado no estacionario. GF: generador de funciones. El análisis teórico de este efecto muestra que para amplitudes de vibración menores a la longitud de onda del láser ( ), la corriente generada esta descrita por la siguiente ecuación [2]: J C F( ), (1) donde C es una constante que depende de diversos parámetros electro-ópticos del fotodetector y de las condiciones de iluminación, y F( ) es la función de transferencia de fotodetector. Esta función de transferencia posee un comportamiento tipo pasa altas, es decir frecuencias menores a cierta frecuencia de corte f 0 son fuertemente atenuadas, mientras que las frecuencias mayores a no sufren atenuación alguna. La frecuencia de corte depende del material del fotodetector y de las condiciones de iluminación, como ejemplo, en la Fig. 2 se muestra una función de transferencia típica para un fotodetector adaptivo fabricado en base a un cristal de CdTe. Para este detector se observa que la frecuencia de corte está alrededor de los 100 khz. Es importante notar que la corriente eléctrica generada es directamente proporcional a la amplitud de vibración. Estos fotodetectores son denominados adaptivos porque pueden compensar las irregularidades de los haces que interfieren (debido al proceso holográfico involucrado en la generación de la corriente), y suprimir las vibraciones lentas inducidas por el ambiente (debido a la función de transferencia F( )). Diversas aplicaciones de los fotodetectores adaptivos han sido investigadas, entre ellas podemos mencionar: amarre de fase entre láseres independientes, en sensores de fibra óptica, medición de pulsos de femtosegundos, determinación del grado de coherencia, medición de perfiles de objetos con superficies rugosas y la detección de ultrasonido generado por láser.

3 Corriente, na mw/mm mw/mm mw/mm 2 1 f ,000 Frecuencia de modulación, khz Fig. 2. Corriente generada por un detector adaptivo de CdTe:V en función de la frecuencia de modulación para diferentes intensidades de iluminación. 3. Detección de ultrasonido La Fig. 3 muestra un esquema del arreglo óptico para la detección de ultrasonido usando fotodetectores adaptivos. La muestra bajo prueba fue un bloque cilíndrico de aluminio con un diámetro de 50 mm y un espesor de 6.8 mm, con superficies rugosas. La generación de ultrasonido en la muestra se realizó a distancia usando un láser pulsado de Nd:YAG (pulsos de 10 ns y energía de 500 mj por pulso). El ultrasonido se genera en la muestra debido a un efecto fototérmico: la luz absorbida produce una expansión térmica seguida de una compresión rápida en la superficie de la muestra, dando origen a una onda ultrasónica que se propaga a través de la muestra. Al llegar esta onda ultrasónica a la superficie opuesta a donde fue generada, produce pequeños desplazamientos en la superficie de la muestra. El sistema de detección consiste en un láser de onda continua, con una potencia máxima de 100 mw y longitud de onda de 850 nm. El haz láser se divide en dos; el haz de señal se dirige al punto a inspeccionar en la muestra, la luz dispersada se recolecta con una lente y se concentra en el fotodetector adaptivo, donde interfiere con el haz de referencia. El fotodector adaptivo se fabricó de una oblea de CdTe:V con dimensiones frontales de 5 mm X 3 mm y espesor de 0.5 mm. La corriente generada por el fotodetector se extrae de él mediante dos electrodos de oro depositados en la cara frontal de la oblea; el espacio libre entre electrodos fue de 0.5 mm de ancho X 3 mm de largo. La corriente se amplificó mediante un amplificador de transimpedancia (30 MHz de ancho de banda y ganancia de 1 M ) y la señal de salida se desplegó en un osciloscopio digital.

4 Señal, V R f Láser pulsado Muestra Lente U(t) CdTe:V Cristal Láser continuo Fig. 3. Arreglo experimental para la detección de ultrasonido generado por láser mediante un fotodetector adaptivo. La Fig. 4 muestra las señales ultrasónicas desplegadas en el osciloscopio. Se observan claramente el pico correspondiente al primer arribo de la onda ultrasónica, y los subsecuentes picos correspondientes a los ecos de esta onda. Usando un modulador electro-óptico calibrado en el haz de referencia (no mostrado en la Fig. 3) evaluamos que el desplazamiento mínimo detectable es de 1 nm en un ancho de banda de 30 MHz y una potencia de luz de 0.1 mw en el detector [3] Tiempo, s Fig. 4. Señales ultrasónicas obtenidas en el interferómetro adaptivo. En el experimento anterior la muestra de aluminio (con superficies rugosas) se encontraba fija. Para mostrar que efectivamente nuestro fotodetector adaptivo compensa las vibraciones de

5 baja frecuencia debidas a movimientos de la muestra o a perturbaciones del medio, colocamos la muestra de aluminio en un disco rotario y detectamos las ondas ultrasónicas bajo estas condiciones dinámicas. Experimentalmente se observan señales con buena razón señal a ruido a velocidades tan grandes como 10 m/s. Agradecimientos Este trabajo fue apoyado por el proyecto CONACYT número Referencias. [1] C. B: Scruby and L. E. Drain, Laser Ultrasonics:Techniques and Applications (Hilger, Bristol, 1990). [2] S. Stepanov, Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, in Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, H.S. Nalwa, ed., Vol 2: Semiconductor Devices (Academic press, 2001), pp [3] S. Stepanov, P. Rodriguez, S. Trivedi and C. C. Wang, Effective broadband detection of nanometer laserinduced ultrasonic surface displacements by CdTe:V adaptive photoelectromotive force detector, Applied Physics Letters 84, (2004)