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光弹性演示实验报告
篇一:光弹性实验报告2
光弹性实验报告
一、实验目的
1. 了解光弹性仪各部分的名称和作用,掌握光弹性仪的使用方法。
2. 观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应。
3. 掌握平面偏正光场和圆偏振光场的形成原理,和调整镜片(起偏镜、检偏镜、1/4波片)的方法。
4. 通过圆盘对径受压测量材料条纹级数f,并通过实验求出两端受压方片中心截面上的应力。
5. 用理论公式计算出方片中心截面上的应力,并与实验得出的数据相比对,判断实验数据的准确性。
二、实验原理和方法
首先引入偏振光的概念,如光波在垂直于传播方向的平面内只在某一个方向上振动,且光波沿传播方向上所有点的振动均在同一个平面内,则此种光波称为平面偏振光。
双折射:当光波入射到各向异性的晶体如方解石、云母等时,一般会分解为两束折射光线,这种现象称为双折射。
从一块双折射晶体上,平行于其光轴方向切出一片薄片,将一束平面偏振光垂直入射到这薄片上,光波即被分解为两束振动方向互相垂直的平面偏振光,其中一束比另一束较快地通过晶体。于是,射出薄片时,两束光波产生了一个相位差。这两束振动方向互相垂直的平面偏振光,其传播方向一致,频率相等,而振幅可以改变。设这两束平面偏振光为:
u1?a1sin(?t)
式中 a1a2—振幅
?—两束光波的相位差(1) u2?a2sin(?t??) (2)
将上述两方程(1)(2)合并,消去时间t,即得到光路上一点的合成光矢量末端的运动轨迹方程式,此方程式在一般的情况下是一个椭圆方程,如果a1?a2?a,???
2,则方程式成为圆的方程:
22u1?u2?a2 (3)
光路上任一点合成光矢量末端轨迹符合此方程的偏振光称为圆偏振光,在光路各点上,合成光矢量末端的轨迹是一条螺旋线。
因此要产生圆偏振光,必须有两束振动平面互相垂直的平面偏振光,并且频率相同;振幅相等;相位差为π/2。如平面偏振光入射到具有双折射特性的薄片上时,将分解为振动方向互相垂直的两束平面偏振光。当使入射的平面偏振光的振动方向与这两束平面偏振光的方向各成45°时,则分解后的两束平面偏振光振幅相等。由于这两束光在薄片中的传播速度不同,通过薄片后,就产生一个相位差。只要适当选择薄片的厚度,使相位差为π/2,就满足了组成圆偏振光的条件。由于相位差π/2相当于光程差λ/4(λ——波长),故称此薄片为四分之一波片。波片上,平行于行进速度较快的那束偏振片振动平面的方向线称为快轴,与快轴垂直的方向线称为慢轴。
平面偏振布置中的光弹性效应:光弹性法的实质,是利用光弹性仪测量光程差的大小,然后根据应力——光学定律(式4)确定主应力差。
??Ch(?1??2)(4)
如图1所示,用符号P和A分别代表起偏镜和检偏镜的偏振轴。把受有平面应力的模型放在两镜片之间,以单色光为光源,光线垂直通过模型。设模型上o点的主应力σ1与偏振轴P之间的夹角为ψ(图
2)。
光源
起偏镜
图1 受力模型在正交平面偏振布置中
图2 偏振轴与应力主轴的相对位置
圆偏振布置中的光弹性效应:在平面偏振布置中,如采用单色光作光源,则受力模型中同时出现两种性质的黑线,即等倾线和等差线,这两种黑线同时产生,互相影响。为了消除等倾线,得到清晰的等差线图案,以提高实验精度,在光弹性实验中经常采用双正交的圆偏振布置,各镜轴及应力主轴的相对位置如图(3)所示。
图3 受力模型在双正交圆偏正布置
在双正交圆偏振布置中,发生消光(即I?0)的条件为光程差?是波长的整数倍,故产生的黑色等差线为整数级,即分别为0级、1级、2级、……。而平面元偏振布置发生消光的条件为光程差?是半波长的奇数倍,故产生的黑色等差线为半数级,、、、……。
等差线条纹级素的确定:在双正交圆偏振布置中,受力模型呈现
以暗场为为背景的等差线图,各条纹的级数为整数级,即N=0,1,2…. 首先确定N=0的点(或线)。属于N=0的点称为各向同性点,是模型上主应力差等于零(即σ1=σ2或σ1=σ2=0)的点,这些点的光程差Δ=0,因此对任何波长的光均放生消光而形成黑点,与此对应的条纹级数为零级。只要模型形状不变,载荷作用点及方向不变,这些黑点或黑线所在的位置不随外载荷的大小的改变而改变。
零级条纹的判定方法有:
1) 采用白光光源,在双正交圆偏振布置中模型上出现的黑色条纹(点或线),属于零级条纹。因其光程差为零,对于任何波长的光均发生消光,故形成黑条纹。其他非零级条纹(N≠0),其光程差不等于零,所以均为彩色。
2) 模型自由方角上,因σ1=0,σ2=0,所以对应的条纹级数N=0。
3) 拉应力和压应力的过