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）。 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4~5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