实验4-1 光弹性实验.ppt

1、实验4.1 光弹性实验,南开大学基础物理实验教学中心 近代物理实验室,实验目的 实验原理 实验系统 实验内容 思考题 参考文献,提纲,利用光弹仪分析部件受到外力时其内应力的分布情况已有多年历史，全息光弹法是其新发展。本实验通过两次曝光法和一次曝光法的操作，了解全息干涉原理在内应力分布中的应用。,目的,（一）光弹性效应 某些晶体在自然状态下即有双折射性质，称自然双折射。另有一些光学介质，它们在自然状态下是各向同性的，没有双折射性质。但当受到机械力作用时，将成为光学各向异性，出现双折射现象。这种双折射是赞时的，应力解除后即消失，称之为光弹性效应。并非所有物质都有光暂时的，应力解除后即消失，称之为光

2、弹性效应。并非所有物质都有光弹性效应，我们把具有明显光弹性效应的物质，如环氧树脂、玻璃、塞璐珞等称光敏物质；将光弹性效应微弱的物质，如有机玻璃等称非光敏物质。 光弹性效应为人们提供了研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的方法。用光敏物质做成与待分析部件相似的模型，按部件实际受力情况对模型施加应力。模型的各受力点产生相应的双折射，即o光与e光折射率no与ne不同，各点折射率差与该点内应力成正比，即 no -ne = k 式中k 为常数。把模型放在透振方向正交的起偏镜、检偏镜之间，用单色面光源照明，即可看到模型中有分布条纹，条纹密处是应力较大的部位，条纹疏处是应力较小的部位。这样就可以利用条纹分布

3、情况分析部件受到外力时其内应力的分布。利用以上原理制成的仪器称光弹仪，它应用于科研、生产中已有半个世纪的历史。,实验原理,（二）全息光弹法 激光的问世为光弹分析提供了有力的工具，发展了利用全息干涉原理研究光弹性效应的技术，称全息光弹法。本实验将通过两次曝光法和一次曝光法的操作，向同学们介绍全息光弹法。两次曝光法光路如图4-1-1，在一个全息照相用的防震台上，让激光束经分束镜分为两束。一束经扩束镜、准光镜成为平行光，再通过偏振片和四分之一波片成为圆偏振光，经毛玻璃散射后照射待测模型，透过模型投射于全息干板上，这是物光：另一光束经另一套扩束镜、准光镜、偏振片和四分之一波片，成为一束圆偏振光的平行光

4、束，直接投射于全息干板上。物光与参考光需同是左旋（或同是右旋）的圆偏振光。在模型未加外力时，让物光与参考光同时投射到全息干板上作第一次曝光，记录一次全息条纹；然后给模型加上适当应力，再作第二次曝光。经两次曝光记录了两套干涉条纹的全息干板显影定影后，成为全息图。放回拍摄的位置，撤去模型，遮掉物光，以参考光束照明全息图。迎着原物光方向观看，可看到原模型位置有一个模型的立体虚象，通过望远镜可看到模型虚像中有明暗相间的干涉条纹。以 表示模型受力最大方向的应力，表示受力最小方向的应力，称与为主应力。由于沿一个干涉条纹各点有相同的主应力和（+），称此条纹为等和线。二次曝光法适用于用非光敏物质如有机玻璃所做

5、的模型，用于观察等和线。,（三）等和线和等差线 假定物光和参考光都是左旋圆偏振光，则第一次曝光时的物光 第二次曝光时的物光及参考光分别是（参看附录 （一）圆偏振光）： O1 =(o12-1/2) i exp (i) + (o12-1/2) exp (i) O2 =(o22-1/2) i exp (i1) + (o22-1/2) exp (i2) (1) R = (r2-1/2) i + (r2-1/2) 式中o1 、o2 、r 分别是O1、O2、R的实数振幅，是第一次曝光时相对参考光而言物光的位相角。,实验系统,（一）按图4-1-1安排光路，要求参考光和物光都是左旋（或都是右旋）圆偏振光的平行光束，光程相等。 （二）用硒光电池、电流计测量两光束光强比，参考光与物光光强比以5 ：1 为好，在3：17：1范围内均可。 （三）在压力架上放环氧树脂模型，加45公斤压力（压力表大针转一圈半）。遮住激光束，在黑暗条件下放好全息干板。曝光60秒，显影、定影，用吹风机凉风吹干，得一次曝光全息图。 （四）换有机玻璃圆环模型，在无压力时作第一次曝光，曝光30秒；然后加45公斤压力，再曝光30秒，得两次曝光全息图。 （五）将全息图放回干板架，撤去模型，用参考光照明，观察圆环