Capteur multicanal à grand champ pour la détection d'ultrasons : matériaux pour l'adaptation dynamique de front d'onde : étude et implantation du capteur

Large etendue multichannel sensor for ultrasonic detection : materials for dynamic wave front adaptation : study and implementation of the sensor

• Auteur / Autrice : Florence Grappin
• Direction : Gérald Roosen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Contrôle non destructif

Holographie dynamique

Cristaux semi-conducteurs photoréfractifs

Multipuits quantiques photoréfractifs

Imagerie ultrasonore

Résumé

L’utilisation des ondes ultrasonores pour sonder la structure de pièces industrielles est très répandue dans différents secteurs où les techniques piézoélectriques sont largement utilisées. L’expansion de l’optique a permis l’apparition de nouveaux systèmes pour la génération et la détection des ultrasons, regroupés sous le nom générique « ultrasons-laser ». Leurs principaux avantages par rapport aux techniques piézoélectriques sont leurs caractères sans contact et non destructifs. Ils traduisent le problème de la détection des ondes ultrasonores en terme de démodulation d’une modulation de phase induite sur un faisceau laser rétrodiffusé par le matériau dans lequel se propagent les ondes. Le fonctionnement du capteur holographique d’ultrasons repose sur l’exploitation de l’interférométrie dynamique en temps réel pour la démodulation à partir d’un matériau photoréfractif. Ce capteur est insensible aux tavelures, qualité indispensable pour le contrôle d’objets présentant des surfaces non polies. Le travail décrit dans le manuscrit comporte deux axes. D’une part, la recherche de l’amélioration des performances du capteur avec la confrontation entre les propriétés expérimentales de cristaux semi-conducteurs (InP et CdTe) et le modèle théorique caractérisant leurs comportements photoréfractifs respectifs, et aussi une étude sur de nouveaux matériaux, des hétérostructures : les multipuits quantiques photoréfractifs. D’autre part, le développement du capteur en version multicanal comportant une étude sur l’imagerie nécessaire et le comportement attendu en terme de diaphonie suivie de l’implantation expérimentale du montage et de sa validation.

Ultrasonic waves are often used by industrials to test the structure of parts. Most of time, they work with piezoelectric transducers to generate and detect these waves but this technique needs a contact between the object to test and the transducers whereas optics allows to have non-contact and non-destructive systems (“laser-ultrasonic”). The optical detection of ultrasonic waves consists in the demodulation of the phase modulation carried by the laser beam that is backscattered by the part in which ultrasonic waves propagate. An interferometer operates this demodulation. Because of the roughness of the object’s surface, the interferometer has to be speckle insensitive. The holographic ultrasonic sensor is an interferometer that demodulates the phase in real time thanks to dynamical gratings written in a photorefractive material. The presented work can be divided into two parts. First, we studied photorefractive materials to improve the results achieved by the sensor. We compared experimental measurements for semi-conductors crystals (InP, CdTe) with the theoretical model describing their photorefractive properties. We also created a new method to characterize photorefractive multiquantum wells at a fixed wavelength and compared their efficiency in the sensor with the one obtained with bulk crystals. Second, we developed the multichannel photorefractive ultrasonic sensor. We studied the means to implement the imaging systems necessary to work with several testing points on the object, and the consequences on the eventual presence of cross-talk. Then, we implemented the experimental setup and demonstrated the simultaneous demodulation of different ultrasonic signals.