Vibrometría Doppler láser
La vibrometría de láser Doppler (LDV) es el método actual que ofrece la mejor resolución de desplazamiento y velocidad, y se utiliza en numerosos campos de la ciencia básica y la investigación. Permite una resolución de amplitud del orden de los femtómetros y es lineal; por lo tanto, presenta una amplitud constante hasta rangos de frecuencia muy altos, llegando prácticamente hasta los 8 GHz. Estas propiedades son independientes de la distancia de medición, por lo que este principio se utiliza tanto en operaciones microscópicas como a distancias muy grandes. La luz, en su función de sensor, no influye en la muestra, lo que hace que el método sea no invasivo y, por lo tanto, permita realizar mediciones en estructuras extremadamente pequeñas y ligeras. Dado que este procedimiento ofrece unas propiedades inigualables, Polytec lo ha dotado de la robustez necesaria para su uso tanto en el laboratorio como en exteriores.
Principios básicos de la vibrometría láser Doppler
Cómo la vibrometría láser Doppler se centra en los pequeños detalles
Con la vibrometría láser Doppler, se pueden caracterizar con facilidad estructuras pequeñas y delicadas sin necesidad de contacto. Analiza la vibración, la acústica y la dinámica de forma sencilla. Mida muestras biomédicas, componentes electrónicos y microestructuras como los MEMS mediante luz, sin necesidad de aplicar cargas de masa, en una amplia anchura de banda que va desde la corriente continua hasta el rango de los GHz. La vibrometría láser Doppler se centra en los pequeños detalles, midiendo las formas de deflexión para la validación de modelos, evaluando la respuesta en frecuencia o determinando la frecuencia de resonancia, la respuesta al impulso y el factor Q. No importa lo grande o pequeño que sea: ¡la vibrometría láser Doppler de Polytec lo mide!
Vibrometría láser Doppler con interferometría de trayectorias múltiples « QTec® »
QTec®Reinventa la vibrometría láser Doppler al eliminar la causa principal del ruido, lo que se traduce en una sensibilidad óptica superior y mediciones de alta fidelidad en todo tipo de superficies. Los vibrómetros láser Doppler QTec de Polytec utilizan un innovador concepto de Interferómetro de múltiples trayectorias que aprovecha la señal de mayor calidad de cada trayectoria para obtener los mejores resultados. Esta tecnología patentada se combina con el diseño de sensor infrarrojo « Xtra », de probada eficacia, para lograr mediciones más rápidas y sencillas, así como resultados consistentes.
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El efecto Doppler
Si una onda se refleja en un objeto en movimiento y es detectada por un instrumento (como ocurre con el LDV), el desplazamiento de frecuencia medido de la onda puede describirse como:
fD = 2 · v/λ
donde v es la velocidad del objeto y λ es la longitud de onda de la onda emitida. Para poder determinar, a la inversa, la velocidad de un objeto, es necesario medir el desplazamiento de frecuencia (Doppler) a una longitud de onda conocida. Esto se lleva a cabo en el LDV mediante un Interferómetro láser.
Interferometría
La vibrometría láser Doppler se basa en la interferencia óptica, para lo cual se requiere que se superpongan, esencialmente, dos haces de luz coherentes, con sus respectivas intensidades luminosasI1 e I2. La intensidad total de ambos haces no es simplemente la suma de las intensidades individuales, sino que se modula según la fórmula:
Itot = I1 + I2 + 2 √ (I1 I2) cos [ 2π (r1 - r2) / λ ]
con el denominado término de «interferencia». Este término de interferencia está relacionado con la diferencia de longitud de recorrido entre ambos haces. Si esta diferencia es un múltiplo entero de la longitud de onda de la luz, la intensidad total es cuatro veces una intensidad individual.
Configuración óptica de la vibrometría láser Doppler
La imagen esquemática anterior muestra cómo se aprovecha técnicamente esta ley física en el LDV.
El haz de un láser se divide mediante un divisor de haz (BS 1) en un haz de referencia y un haz de medición. Tras pasar por un segundo divisor de haz (BS 2), el haz de medición se enfoca sobre la muestra, que lo refleja. Este haz reflejado es desviado hacia abajo por el BS 2 (véase la figura) y, a continuación, se combina con el haz de referencia en el detector.
Dado que la trayectoria óptica del haz de referencia es constante en el tiempo (r2 = const.) (salvo por efectos térmicos insignificantes en el Interferómetro), un movimiento de la muestra (r1 = r(t)) genera un patrón de luz y oscuridad, típico de la interferometría, en el detector. Un ciclo completo de claro/oscuro en el detector corresponde a un desplazamiento del objeto de exactamente la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. En el caso del láser de helio-neón, que se utiliza a menudo en los Vibrómetros, esto corresponde a un desplazamiento de 316 nm.
El desplazamiento de frecuencia Doppler
La variación de la longitud del recorrido óptico por unidad de tiempo se manifiesta como un desplazamiento de frecuencia Doppler del haz de medición. En términos metrológicos, esto significa que la frecuencia de modulación de la señal de interferencia determinada es directamente proporcional a la velocidad de la muestra. Dado que el movimiento del objeto alejándose del Interferómetro genera el mismo patrón de modulación (y las mismas frecuencias de modulación) que el movimiento del objeto acercándose al Interferómetro, esta configuración por sí sola no permite determinar de forma inequívoca la dirección en la que se mueve el objeto. Para ello, se coloca en el haz de referencia un modulador acústico-óptico (célula de Bragg) que, por lo general, desplaza la frecuencia de la luz en 40 MHz (a efectos comparativos, la frecuencia de la luz láser es de 4,74 ·10¹⁴ Hz ). Esto genera una frecuencia de modulación de la señal de interferencia típica de 40 MHz cuando la muestra está inmóvil. Si el objeto se desplaza entonces hacia el interferómetro, esta frecuencia de modulación aumenta, y si se aleja del interferómetro, el detector recibe una frecuencia inferior a 40 MHz. Esto significa que ahora es posible detectar con claridad no solo la longitud del recorrido, sino también la dirección del movimiento.
Desplazamiento o velocidad de las vibraciones
En principio, con el LDV es posible medir directamente tanto los desplazamientos como las velocidades. En este caso, la frecuencia Doppler no se transforma en una tensión proporcional a la velocidad; en su lugar, el LDV cuenta las franjas claras y oscuras en el detector. Mediante técnicas de interpolación adecuadas, los vibrómetros de Polytecpueden alcanzar así una resolución de 2 nm, y con técnicas de demodulación digital esto puede ampliarse incluso hasta el rango de los pm. La demodulación por desplazamiento es más adecuada para mediciones de baja frecuencia (en el rango sub-Hz), mientras que la demodulación por velocidad es más adecuada para frecuencias más altas, ya que las amplitudes máximas de las vibraciones armónicas pueden expresarse de la siguiente manera:
v = 2π • f • s
A medida que aumenta su frecuencia, una vibración genera una velocidad de vibración relativamente alta con una amplitud de desplazamiento muy baja.