光弹效应实验.doc

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 n o 和n e ,则在一定范围内: n o -n e =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: ?????/2/2 CPL Lnn eo????) ( (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 )。I min 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 Ima x 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 II IIII I np pP min max min max?????(3) 显然, 自然光的 P=0 , 完全线偏振光 P=1, 其他情况下 P<1 。偏振度越大,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,