光弹效应实验

1、光弹效应实验 1前言塑料、玻璃等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的。但是当他们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹效应。各向同向的介质在某一方向受压力时，在这个方向上就形成了介质的光轴。设应力为P，设这时出现的o光和e光的折射率分别为no和ne，则在一定范围内： no-ne=CP （1）C为常量。因此通过的厚度为L的形变介质时，两偏振光的相位差为： （2）这两束光经过检偏器就产生了偏振光的干涉现象。我们将看到与应力分布相关的干涉花样。在白光照射下产生的干涉花样中，彩色的条纹称为等色线，它的疏密情况反映的是应力的大小；黑色的条纹称为等倾线，它反映应力

2、的方向。我们可以用1/4波片消除等倾线，方法是：在光弹性材料的前后各插入一个1/4波片，两个1/4波片的取向正交，并与两个偏振片成45度。此时等倾线将消失。利用光弹效应，提供了一种检测材料应力分布的简单方法，目前已经发展成为一个专门的学科光弹性学，它为工程设计解决了极其复杂的应力分析问题。2. 自然光与偏振光理论 就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规则变化的光称为偏振光。在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光是线偏振光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一条直线。圆偏振光在传播过程中，其光矢量的大小不变，方向呈规则变化，其端点

3、的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中均呈规则变化，光矢量端点沿椭圆轨迹转动。任一偏振光都可以用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示5。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光。自然光可以看成是在一切可能方位上振动的光波的总和，即在观察时间内，光矢量在各个方向上的振动几率和大小相同。自然光可以用两个光矢量互相垂直、大小相等、相位无关联的线偏振光来表示，但不能将这两个相位没有关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光。我们日常所见的光源，如太阳和白炽灯，所发出的光波是由无数个互不相干的波组成的，在垂直于光波传播方向的平面内，这些波的振动方向可取任何可能的振动方向，没有一个

4、方向较其他方向更占优势，在所有可能的方向上，振幅都是相等的。都是自然光。自然光在传播过程中，由于外界的影响，造成各个振动方向上的强度不等。使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫做部分偏振光（如图1）。a)b)图1自然光和偏振光a)自然光 b)偏振光Imax图b中，光矢量沿垂直方向的振动占优势，其强度用Imax表示；与其垂直方向的振动处劣势，其强度记为Imin。当部分偏振光只是线偏振光和自然光的混合时，其中完全偏振光的强度为Ip=Imax-Imin,它在部分偏振光总强度（Imax+Imin）中所占的比率P叫做偏振度，即 （3）显然，自然光的P=0，完全线偏振光P=1,其他情况下P1。偏振度越

5、大，其光束偏振化程度越高1。 3 .产生偏振光的方法我们已经知道，一般光源发出的光不是偏振光，必须通过一定得途径才能从非偏振光中获取线偏振光。从自然界光获取线偏振光的方法主要有以下几种。反射及折射产生线偏振光当自然光以布儒斯特角入射到界面时，反射光成为光矢量垂直于入射面振动的线偏振光，透射光是偏振度很高的部分偏振光。因此任何光滑的电介质表面都可以获取偏振光。可以选用折射率大的介质表面来提高反射光的强度，也可以用增多片数的方法来提高透射光的偏振度。由二向色性产生线偏振光有些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数，这种特性称为二向色性。晶体的二向色性还与波长有关，即具有选择吸收性，因

6、此当振动方向互相垂直的两束线偏振白光通过晶体后呈现出不同的颜色。在天然晶体中，电气石具有很强的二向色性，当自然光入射时，1mm厚的电气石几乎将一个方向振动的光全部吸收掉，使透射光成为振动方向与该方向垂直的线偏振光，并且由于选择吸收，而使出射光呈蓝色。此外，一些各向同性介质在受到外界作用时也会产生各向异性，并且具有二向色性。利用这一特性获取偏振光的器件叫做人造偏振片。一种称作H偏振片的人造偏振器是这样制作的，把聚乙烯醇薄膜浸泡在碘溶液中，从而形成碘链，然后在较高温度下拉伸45倍，再烘干制成。拉伸的目的是使碘-聚乙烯分子形成的碘链沿碘链拉伸方向规则排列成一条条导电的长碘链。H偏振片在整个可见光范围

7、内偏振度可达98%，但它的透明度低，在最佳波段上自然光入射时最大透射率为42%，且对各色可见光有选择吸收。但它的有效孔径几乎达180，可以做得薄而大，且价廉，故获得了广泛应用。K偏振片可用于高温环境中。它是把拉伸的聚乙烯醇薄膜在氯化氢催化剂中加热脱水并定型制成的，同样具有极强的二向色性，且光化学性稳定，在较强光照下也不会褪色，但膜片略微变黑，透明度较低。双折射晶体产生线偏振光在双折射晶体内，自然光波被分解成光矢量互相正交的线偏振光传播，把其中的一束光拦掉，便得到线偏振光。最为重要的偏振器件是利用晶体的双折射制成的。4 . 波片波片也称为相位延迟器，它能使偏振光的两个相互垂直的线偏振光之间产生一

8、个相对的相位延迟从而改变光的偏振态。它们在偏振技术中有重要作用。波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。当一束线偏振光垂直入射到由单轴晶体制成的波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的o光和e光，相应的折射率为no、ne。由于两光在晶片中的速度不同，当通过厚度为d的晶片后产生相应的相位差（相位延迟量）为 （4）这样，两束振动方向互相垂且有一定相位差的线偏振光叠加，一般得到椭圆偏振光。下面给出几种典型的波片。全波片这种波片产生相位延迟 （m=0，1，2，3，） （5）其厚度 （6）全波片产生2整数倍的相位延迟，故不改变入射光的偏振态。全波片一般用于应力仪中，以增大应力引

9、起的光程差值，使干涉色随内应力变化变得灵敏。半波片（或片）半波片产生的相位延迟和相应的波片厚度d为 （7）/2片产生奇数倍的相位延迟，线偏振光通过/2片后仍是线偏振光。若入射线偏振光的振动方向与波片快轴（或慢轴）夹角为，则出射线偏振光的振动方向向着快轴（或慢轴）方向转过2角。圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光。/4片这种波片产生的相位延迟和相应的波片厚度分别为 （8）/4片产生/2的奇数倍的相位延迟，能使入射线偏振光变为椭圆偏振光。若入射线偏振光的光矢量与波片快（慢）轴成45时，将得到圆偏振光。需要指出，波片都只对某一特定波长的入射光产生某一确定的相位变化。同时，入射在玻片上的光必须是

10、偏振光。自然光经波片后的出射光仍是自然光。为了达到改变偏振态的目的，应该使波片的快（慢）轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定得相位延迟。波片只能改变入射光的偏振态，而不能改变其光强。一、实验原理光通过各向异性晶体时会产生双折射效应。而像聚碳酸酯塑料、环氧树脂等透明材料通常情况下是各向同性的，光通过时并不会产生双折射。但当它们受到外力作用后，则表现为各向异性，产生双折射，这种现象称为光弹效应。本实验就是基于光弹效应原理，利用光弹性实验仪器来对透明实验材料进行应力分布检测，提取出应力分布条纹并利用光弹性图像处理软件对这些条纹进行处理，从而得到被检测材料的应力分布。实验原理

11、图如图3-1所示。白光光源偏振片1/4波片压力架+光弹性材料白屏偏振片1/4波片透镜图3-1原理图图3-2 实验图二、 实验仪器光学实验导轨 1000mm ，1根；白光光源（含电源），1台，光源内含有透镜使得出射的光近似平行；光弹性材料，1块，本实验用的是一块透明树脂材料；1/4波片，2套，用于滤除黑色的等倾线，只留下彩色的条纹（等色线）；偏振片，2套，一个起偏器，一个检偏器；压力架，1个，光弹性材料就放在上面，通过旋钮给光弹性材料施加压力并通过LED显示具体数据（包括当时的温度和压力的大小）；滑块，8个，方便实验仪器在滑块上自由滑动，使仪器摆放在不同位置；透镜，1个；白屏，1块。三 、实验步

12、骤1、将白光光源放在导轨的一端，打开电源开关能看到出射的水平方向上的近似平行光。若发现出射的光与导轨所在面不平行，则调整光源的位置，使得出射光与导轨面平行。2、在白光光源的前面放入一片偏振片（起偏器），此时从偏振片出来的光为线偏振光。3、在第一个偏振片的前面放入第二个偏振片（检偏器），旋转第二个偏振片，使得出射的光最暗。 （可以用眼睛迎着光的方向观察。）此时两个偏振片正交。4、将一个1/4波片放在两个正交的偏振片之间，旋转1/4波片使得从第二个偏振片出射的光再次最暗。（可以用眼睛迎着光的方向观察。）此时1/4的光轴和起偏器的透振方向平行。再将1/4波片旋转45度，然后取下1/4波片待用。5、将

13、第二个1/4波片放在两个正交的偏振片之间，旋转1/4波片使得从第二个偏振片出射的再次最暗。（可以用眼睛迎着光的方向观察。）此时1/4波片的光轴和起偏器的透振方向平行。再将1/4波片沿与第一个1/4波片转动的相反的方向旋转45度。然后取下1/4波片待用。6、将压力架放入两个正交的偏振片之间，并将光弹性材料放入压力架中，再在检偏器的前面放入成像透镜，在导轨的另一端放入白屏。移动成像透镜的位置，使得光弹性材料能在白屏上成清晰的像。7、旋转压力架上方的旋钮给光弹性材料加压，此时在白屏上能看到彩色的条纹（等色线）和黑色的条纹（等倾线）。改变压力的大小，观察白屏撒谎那个的彩色条纹的变化情况。并采集不同应力下的图像备用（包括应力的大小）。8、在起偏器和光弹性材料之间放入第一个1/4波片，在检偏器和光弹性材料之间放入第二个1/4波片，观察白屏上的条纹和没有加两个1/4波片前的变化情况