光弹性实验原理及方法.ppt

* * 第三章 光弹性实验原理及方法 § 3.2 光学基础知识 § 3.3 平面应力—光学定律 § 3.1 概述 § 3.5 圆偏振光通过受力模型后的光弹性效应 § 3.6 白光下的等差线—等色线 § 3.4 平面偏振光通过受力模型后的光弹性效应 § 3.7 等差线条纹级数的确定 § 3.8 等倾线的观测 § 3.1 概述 光弹性实验是一种应用光学原理的应力测试方法。它是采用具有双折射效应的材料制成的与构件几何相似的模型，使其受力与构件受载相似。将受力模型置于偏振光场中，可得到干涉条纹。这些条纹反映了模型边界和内部各点的应力状态。依照光弹性原理，可得模型各点的应力差和主应力方向，再由相似理论换算出构件的真实应力。 § 3.2 光学基础知识 一、光波 光是一种电磁波，它的振动方向垂直于传播方向，是一种横波。 以波动方程表示： 以光程表示： 若O、A两点的光程差为 ，则两点振动 相位差为： 二、自然光和平面偏振光 自然光：全方向振动，且振幅相等。 偏振光：仅一个方向振动。 平面偏振光：光波在垂直于传播方向的平面内只在某一个方向上振动。 自然光通过偏振片即可得平面偏振光。 三、光波的干涉 光的传播可产生干涉，光的强度可增加或减弱。它与 成正比： 两列光波相遇时产生干涉，产生干涉必须满足下列条件： 1）两列光波频率相同； 2）在同一平面内振动，向同一方向传播； 3）相位差恒定。 四、双折射 1）永久双折射 对于天然的各向异性晶体材料（云母、方解石等），一束入射光将产生两束折射光。这种现象称双折射。这一现象是晶体固有的特性。 2）暂时双折射 对于某些各向同性的非晶体材料（环氧树脂、玻璃、聚碳酸酯）是否产生双折射与材料是否受力有关。 在自然状态（不受力）：表现为各向同性，不发生双折射。 在载荷作用下：呈现出各向异性，产生双折射现象，且光轴方向沿主应力方向。 去掉载荷后：双折射现象随之消失，材料又恢复到原来的各向同性性质，称为光弹性效应。 3）晶体的光轴 晶体有一特定的方向，当光束沿此方向入射时，不发生双折射现象，这个特定方向称为晶体的光轴。 从晶体中平行于光轴方向切取的薄片称为波片。 当光波垂直入射波片时，入射光被分解成两束平面偏振光，其中o光的震动方向与光轴垂直，e 光振动方向与光轴平行，两束光在波片中的传播速度不同，两束光出波片时产生光程差，对于o光快于e光的波片，将对应于o光和e光的震动方向分别称为波片的 快轴和慢轴，产生光程差为1/4个波长的波片，称为四分之一波片。 五、圆偏振光 沿光线传播方向， 光波波列上各点光 矢量横向振动是 一个旋转量，各点光矢量端点在垂直于传播方向平面内的投影是一个圆。 圆偏振光的产生： 由一双折射晶体切取一波片，将一束平面偏振光垂直入射该波片，被分解成两束平面偏振光，两束光传播速度不同，产生一相位差。这两束光传播方向一致，且振动方向互相垂直，频率相同，振幅可以不等，设光波方程为： 若相位差恰好为： 两式平方后再相加，消去t，合成后的光矢量末端运动轨道在x-y平面内投影方程式： 取 : 光路上任一点合成光矢量末端轨迹符合此方程的即为圆偏振光。 产生圆偏振光的条件： 1）两束光振动方向互相垂直； 2）振幅相等； 3）相位差 将一束平面偏振光入射 到具有双折射的波片上， 分解成两束平面偏振光， 且与入射光分别成 ， 两束光振幅相等，适当 调整波片厚度，使相位差 ，此时光程差 为入射光波长的四分之一 ，称为四分之一波片。 § 3.3 平面应力—光学定律 1）当一束平面偏振光垂直入射模型，沿 分解成两束平面偏振光。 2）两束光振动方向互相垂直。传播速度不同，产生光程差。 当h一定时，c值可以使用一定方法测定，这样就把求 转换为求 的问题了。 § 3.4 平面偏振光通过受力模型后的光弹性效应 一、平面偏振光装置简介 从光源射出的光波 起偏镜 变成平面偏振光 若 ，从观测方向看到的暗背景，称平面偏振光暗场。 若 ，从观测方向看到的亮背景，称平面偏振光亮场。 光弹性法实质： 利用光弹仪测出光程差 ，根据平面应力—光学定律 1）单色光通过起偏镜后为平面偏振光 2）u垂直入射时模型表面o点，由于光弹效应，光波沿 分解为两束平面偏振光。 沿 ： 沿 ： 3）两列平面偏振光在模型中传播速度不同，通过模型后产生相位差 ，通过模型后两束光为： 4） 到达检偏镜，只有平行于A轴的振动分量通过，沿A分解： 振动方向相同（沿A，共面光波） 相位差恒定（为 ） 5） ：频