Transparante materialen zijn een essentieel onderdeel geworden in een breed scala aan technologische toepassingen, variërend van alledaagse elektronica zoals tablets en smartphones tot meer geavanceerde toepassingen in zonnepanelen, medicijn, en optica. Net als voor elk ander product dat in massa wordt geproduceerd, kwaliteitscontrole is belangrijk voor deze materialen, en er zijn verschillende technieken ontwikkeld om microscopisch kleine krasjes of onvolkomenheden op te sporen.

Een aantrekkelijke benadering voor het scannen op schade aan materialen is het gebruik van 'lamsgolven'. Vernoemd naar de Britse wiskundige Sir Horace Lamb, dit zijn elastische golven die worden gegenereerd in massieve platen na een geschikte mechanische excitatie. Omdat de voortplanting van Lamb-golven wordt beïnvloed door oppervlakteschade (zoals krassen), ze kunnen worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het gescande materiaal vrij is van onvolkomenheden. Helaas, het genereren en vervolgens meten van Lamb-golven op transparante materialen is niet eenvoudig.

Hoewel er op laser gebaseerde technieken bestaan ​​om Lamb-golven op een contactloze manier te genereren, de laserparameters moeten voor elk materiaal zorgvuldig worden gekalibreerd om schade te voorkomen. Bovendien, bestaande benaderingen genereren geen Lamb-golven van voldoende amplitude; als zodanig, herhaalde metingen moeten worden uitgevoerd en gemiddeld om betrouwbare gegevens te krijgen, wat tijdrovend is. Wat betreft het meten van de gegenereerde Lamb-golven, geen enkele bestaande techniek kan ze snel detecteren en gebruiken om schade op submillimeterschaal op transparante oppervlakken op te sporen.

Om deze problemen aan te pakken, een onderzoeksteam onder leiding van professor Naoki Hosoya van het Shibaura Institute of Technology en Takashi Onuma van Photron Limited, Japan, ontwikkelde een nieuw raamwerk voor het genereren en detecteren van "S0-modus" (nul-orde symmetrische modus) Lamb-golven in transparante materialen. Hun aanpak wordt gepresenteerd in een paper die onlangs online in het tijdschrift is gepubliceerd Optica en lasers in de techniek .

Eerst, het team moest een handige techniek vinden om Lamb-golven te genereren zonder het monster te beschadigen. Hiertoe, ze maakten gebruik van een benadering die ze met succes hadden gebruikt bij andere pogingen om mechanische oscillaties op een contactloze manier te genereren:laser-geïnduceerde plasma (LIP) schokgolven. Simpel gezegd, LIP kan worden gegenereerd door een laserstraal met hoge energie op een kleine hoeveelheid gas te focussen. De energie van de laser activeert de gasmoleculen en zorgt ervoor dat ze ioniseren, het creëren van een onstabiele "plasmabel" dicht bij het oppervlak van het materiaal. "De plasmabel breidt zich met superhoge snelheden uit naar zijn omgeving, het genereren van een schokgolf die wordt gebruikt als de excitatiekracht om Lamb-golven op de doelstructuur te produceren, " legt prof. Hosoya uit.

Volgende, de onderzoekers moesten de gegenereerde golven meten. Ze bereikten dit door gebruik te maken van een high-speed polarisatiecamera, die, zoals de naam impliceert, kan de polarisatie vastleggen van het licht dat door het transparante monster reist. Deze polarisatie bevat informatie die rechtstreeks verband houdt met de mechanische spanningsverdeling van het materiaal, die op zijn beurt de voortplanting van Lamb-golven weerspiegelt.

Om hun strategie op de proef te stellen, het team maakte microscopisch kleine krasjes op een paar platte, transparante polycarbonaatplaten en vergeleek de voortplanting van Lamb-golven op beschadigde en ongerepte monsters. Zoals verwacht, de krassen veroorzaakten merkbare verschillen in de spanningsverdeling van de platen terwijl de golven zich over de beschadigde gebieden voortplantten, het demonstreren van het potentieel van deze nieuwe benadering door het detecteren van krassen van slechts enkele tientallen micrometers.

Hoewel de bevindingen opwindend zijn, verdere studies zijn nodig om een ​​meer diepgaand inzicht te krijgen in hun strategie en de beperkingen ervan. Prof. Hosoya zegt, "De effecten van de schade grootte of type, de vergroting van de cameralens, en de eigenschappen van het transparante monster op de detecteerbare limiet van de defectgrootte van onze methode moeten worden geverifieerd als onderdeel van toekomstige werkzaamheden."

Hopelijk, deze ingenieuze non-contact, niet-destructieve schadedetectieregeling helpt de productiekosten van hoogwaardige transparante materialen te verlagen.