Estudio de propiedades de materiales mediante la generación de ultrasonido con luz láser

Los ensayos no destructivos involucran técnicas de análisis que permiten el estudio de materiales sin modificar sus propiedades y manteniendo sus características funcionales luego del ensayo. Estas técnicas se emplean tanto en el ámbito industrial como en el ámbito de la investigación. Existe gran interés en el desarrollo de este tipo de herramientas, ya que permiten el ahorro de costos y tiempos en la producción y evaluación de materiales y productos. En el método de ultrasonido láser un pulso de luz incide sobre la superficie del material bajo estudio y éste es parcialmente absorbido. A partir de este fenómeno se pueden producir diversos procesos (expansión térmica, evaporación y eyección de material, etc.) que generan una perturbación que se propaga en el medio, denominada ultrasonido. Para generar ondas de ultrasonido con un gran ancho de banda se utilizan pulsos cortos de láser de alta potencia. Las características del ultrasonido generado dependen de la forma y duración del pulso, de la extensión del área iluminada y de la potencia incidente. Si la potencia incidente es demasiado alta, puede producirse la ablación de la superficie. La ablación es en la mayoría de los casos algo que se desea evitar, ya que deteriora el material que se está estudiando. En los ensayos no destructivos se emplean potencias en el régimen denominado termoelástico, donde el material sólo se ve afectado por la expansión térmica y, por consiguiente, su estructura no resulta afectada. En la técnica de ultrasonido láser, las ondas de ultrasonido generadas en el material son detectadas sobre su superficie mediante métodos ópticos de interferometría. Esta técnica es de no contacto y por lo tanto es ideal para ensayar materiales en situaciones donde el acoplamiento de un sensor con la muestra puede ser riesgoso o puede degradar la exactitud de la medición. Una de las principales ventajas de la detección interferométrica es su gran ancho de banda, a diferencia del caso de sensores de contacto, como por ejemplo, los transductores piezoeléctricos. No obstante, la limitación más importante de este método de detección es su gran sensibilidad a las diferencias de camino óptico introducidas por el ambiente, ya sea por vibraciones, fluctuaciones térmicas, etc. En esta Tesis se desarrolla, en el marco de los ensayos no destructivos, una técnica de ultrasonido láser de características robustas. Esta técnica puede ser aplicable aún en entornos industriales, donde las técnicas interferométricas tradicionales suelen presentar serios problemas debido a la presencia de fuertes vibraciones. Por un lado, en este trabajo se exploran técnicas interferométricas de detección de ondas superficiales de ultrasonido en régimen termoelástico. Se proponen métodos de recuperación de fase que permiten obtener el desplazamiento medio de la superficie bajo análisis, aún en presencia de fluctuaciones en la longitud de camino óptico de varios órdenes de magnitud mayores a las generadas por el ultrasonido. Por otro lado, se estudia la capacidad de la técnica de ultrasonido láser propuesta para caracterizar diversos aspectos de la muestra bajo análisis, como son sus constantes elásticas y su espesor. También se generan defectos controlados en las muestras y se realiza la caracterización de su profundidad y localización a través del análisis, en tiempo y frecuencia, de las señales de ultrasonido. Para validar los resultados obtenidos experimentalmente se desarrolla un esquema numérico que simula el fenómeno termoelástico de generación de ultrasonido en materiales elásticos lineales, a partir de la incidencia de ondas electromagnéticas. Este método numérico permite modelar, también, la propagación de las ondas de ultrasonido en presencia de defectos en el material