实验4-1 光弹性效应
实验4-1 光弹性效应
2014.10.23
实验目的
• 利用光弹仪分析部件受到外力时其内应力的分布情况已有 多年历史，全息光弹法是其新发展。本实验通过两次曝光 法和一次曝光法的操作，了解全息干涉 某些晶体在自然状态下即有双折射性质，称自然双折射。另有一 些光学介质，它们在自然状态下是各向同性的，没有双折射性质。但 当受到机械力作用时，将成为光学各向异性，出现双折射现象。这种 双折射是赞时的，应力解除后即消失，称之为光弹性效应。并非所有 物质都有光暂时的，应力解除后即消失，称之为光弹性效应。并非所 有物质都有光弹性效应，我们把具有明显光弹性效应的物质，如环氧 树脂、、玻璃、塞璐珞等称光敏物质；将光弹性效应微弱的物质，如 有机玻璃等称非光敏物质。 光弹性效应为人们提供了研究机械零件、建筑构件等物体内部应 力的方法。用光敏物质做成与待分析部件相似的模型，按部件实际受 力情况对模型施加应力。模型的各受力点产生相应的双折射，即o光 与e光折射率no与ne不同，各点折射率差与该点内应力成正比，即 no -ne = k σ 式中k 为常数。把模型放在透振方向正交的起偏镜、检偏镜之间， 用单色面光源照明，即可看到模型中有分布条纹，条纹密处是应力较 大的部位，条纹疏处是应力较小的部位。这样就可以利用条纹分布情 况分析部件受到外力时其内应力的分布。利用以上原理制成的仪器称 光弹仪，它应用于科研、生产中已有半个世纪的历史。
实验的问题
• 实验中圆偏振光的作用 • 全息光相干条件是什么
参考文献
• 【1】天津大学材料力学教研室光弹室.全息干涉法.光弹 性原理及测试技术.科学出版社，1980 • 【2】高立模，夏顺宝，陆文强.近代物理实验.南开大学 出版社，2006
基本原理及实验内容
（三）等和线和等差线 取非光敏物质做成模型，经过曝光后，得到光强为：
光弹效应实验报告
光弹效应实验报告
光弹效应实验报告
光弹效应实验是由荷兰物理学家快活Ernst Florens Friedrich Chladni于1808
年发表的一项研究，它的出现引起了许多有关变温的争议。
实验的目的是研究可能形成的熔化和冷却的情况，以解释其是否受到温度的影响。
这项实验是通过一个带有红外热传感器,电荷传感器,温度传感器和试验室光纤等特定设备，使用一系列光源连续激发某种流体，通过变温器将其温度梯度控制在一定间隔的参数来实现的。
实验结果表明，当光辐射设备投射在某一定的温度范围内，，流体就会出现熔化，形成熔滴，而冷却的话也会表现出变化，温度的变化是跟光的热量及持续程度有关的，短而重复的光波在极短的时间内也可产生其物理和化学变化效应。
这一结果证明，光能将其热量转换成物质运动，因此具有非常重要的意义。
当今，光弹效应实验在科学研究、光学、冶金等领域被广泛应用，它的发展丰
富了研究者的视景，领略了光的神奇力量，并且让人们意识到光的强大作用。
此外，光弹效应也为我们提供了新思路，提高气体中物质运动的效率，大大改善了物理实验的质量以及工业仪器的使用效率。
总而言之，光弹效应实验已经发挥了重要作用，取得了巨大成就，它不仅提供
了重要的研究资料，也为我们提供了新思路，可以改善生产技术，实现更加高效的信息传递、精确的物质流动和高效的物质运行。
同时，也可以帮助人们更好的理解光的秘密，不断探索它带来的新发现。
光弹性实验.
白光源：由红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种单色光组成的。
自然光：横波，沿任意方向振动。
双正交圆偏振光场： 在正交平面偏振光中，同时存在着等差线和等倾线。 为了消除等倾线以便获得清晰的等差线图，在两偏振 镜之间加入一对四分之一波片，以形成正交圆偏振光 场,消除等倾线。
正交圆偏振光场布置简图
二、原理
光弹实验
一、实验目的 了解光弹性的原理和特点 了解光弹性仪结构, 掌握光弹性仪的使用方法 观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应 测定纯弯曲梁的弯曲正应力
1
光弹仪的基本构成
•光源（包括单色光源和白光光源） •一对偏振镜
•一对四分之一波片
•透镜和屏幕
其装置结构如图所示
•S-光源，G-隔热玻璃，F-滤色片，-准透 镜，P-起偏镜，Q-1/4波片， •O-模型，A-检偏镜，-视场镜，C-屏幕。
•对光弹材料的基本要求 1.质地均匀,透明度好;
2.不受力时的力学性能和光学性能都是各向 同性的,受力时具有双折射性;
3.光学灵敏度高,即条纹值(f=λ /c)要小; 4.外载荷与应变是线性关系; 5.无初始应力; 6.工艺性能好,易于机械加工; 7.容易加工,价格低廉.
1、平面应力-光学定律（附图）
此式（2）具有很高的实 用价值。
3
3
1
自由边界
16
二、原理
2、条纹值的测定（利用对径受压圆盘） 计算 f 的公式：
f 8F N 0 D [ N / mm]
从同一块光弹性材料上割下 两块，分别加工成模型和圆盘。
圆盘用于测定条纹值f。
常用光弹性材料： 1. 聚碳酸脂
F
012345
等差线
2. 环氧树脂
光弹性效应实验报告1
光弹性效应实验报告【实验目的】了解光弹性效应，了解全息干涉原理在测量物体内部应力分布中的应用【实验仪器】氦氖激光器分束镜反光镜*2 扩束镜*2 准光镜*2 偏振片*2 四分之一玻片*2 毛玻璃环氧树脂样品全息底片显影液定影液清水【实验原理】在自然情况下各向同性的介质在外加应力的情况下出现短暂的双折射效应，当应力解除之后双折射效应消失，称之为光弹性效应。
具有明显光弹性效应的物质（比如环氧树脂）被称为光敏物质，相对的光弹性效应微弱的物质称之为非光敏物质。
定量的来说，光敏物质由于光弹性效应而产生的双折射效应满足以下公式O光的折射率和e光的折射率之差和外加应力成正比，k为比例系数。
全息光弹法是一种研究光弹性效应的方法，基于全息干涉原理。
本实验中利用的是两束相干的圆偏光进行干涉，从而在全息干板上记录样品的光弹性信息。
普通的全息照相相干的两束光只是需要有同方向的偏振分量即可。
实验中为了记录光弹性的信息（即折射率之差和外加应力成正比）所以需要采用圆偏光。
等差线和等和线指的是全息光弹法中最后观察到的干涉条纹。
等和线是在非光敏物质样品情况下观察到的，值得是同一条干涉条纹上各点的主应力之和相同。
同样，在光敏物质样品的情况下可以观察到等差线，即同一条干涉条纹上主应力之差相同。
（主应力分别指模型受力最大和最小的方向的应力）等差线和等和线产生的原因可以从最后的全息照相光强表达式中看出在整个公式推导中定义了如下物理量变量为主应力之和，主应力之差，其余为常量。
这是非光敏物质的光强分布可以看到光强决定于，当此物理量取特定值，分别产生亮条纹和暗条纹，而其值从定义中可以看出由主应力之和决定。
即同一条条纹上的主应力之和相同。
同理由光敏物质的光强分布可以看出等差线的来源。
【实验步骤】实验光路图从分束镜开始到全息胶片的光程为212.50cm。
1.利用分光镜中间的分束片进行分光，这样基本可以达到参考光和物光的比例为5:1。
2.摆放两面反射镜，使得两束光的光程差相等（误差小于1cm）。
光弹性实验解析
1
2
Nf b
(2)
（2）一般只能得到两个主应力
F
的差，而对于自由边界上的点，
可以直接计算出主应力。
因为自由边界上的法向正
应力（主应力之一）为零。
实际构件的危险点， 1 0
3
一般是出现在边界上。因 ( 2 0)
开孔
3 1
此式（2）具有很高的实
用价值。
自由边界
16
二、原理
2、条纹值的测定（利用对径受压圆盘）
暗场——整数级条纹
亮场——半数级条纹
图24 对顶受压方板的等差线条纹
20
三、几个重要的基本概念
2、等倾线
由主应力方向相同的点连成的曲线（干涉条纹）， 叫做等倾线。
yP
A
α
x
1
2
等倾线
1
2 22
3
21
三、几个重要的基本概念
2、等倾线
0º
15º
等倾线的 用处：
确定主应
力的方向。 在同一组
•O-模型，A-检偏镜，-视场镜，C-屏幕。
双折射（birefringence）现象
双折射的概念
自然光
双折射： 一束光入
n1 i
射到各向异性介质时， n2
(各向异
折射光分成两束的现象。性介质)
ro
re o光
寻常（o）光和非寻常（e）光
光弹性实验
全息光弹性法- 正文将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。
在全息光弹性法中，用单曝光法能给出反映主应力差的等差线；用双曝光法能给出反映主应力和的等和线。
根据测得的等差线和等和线的条纹级数，便可计算出模型内部的主应力分量。
20世纪60年代后期，M.E.福尔内、J.D.奥瓦内西翁等人将全息照相用于光弹性实验，获得了等和线条纹以及等和线和等差线的组合条纹。
后来，许多学者应用组合条纹分析平面应力问题。
此法所用的全息光弹性仪,其光路（图1）中布置有偏振元件，能获得具有偏振特性的物光和参考光。
透过模型的物光和参考光，在全息底片上干涉而成包含着物光波阵面信息的全息图，经过曝光、显影和定影以后的全息底片，再用参考光照射，便可再现物光波阵面。
如经两次曝光，将模型承受应力和不受应力两种状态的物光波阵面记录在同一张全息底片上，再现时便可以同时再现承受应力和不受应力两种状态的物光，并获得反映应力分布的两组物光干涉而得的条纹。
全息光弹性法常用的方法有：单曝光法设模型不受应力时，物光波阵面ω0为平面，模型承受应力之后，透过的物光会在模型的两个主应力方向分解成两束平面偏振光,其波阵面为ω1和ω2(图2)。
对承受应力的模型进行单次曝光全息照相后,用参考光照射全息底片,可以再现物光波阵面ω1和ω2。
由于这两个光波具有和参考光相同的偏振特性，故产生干涉，所形成的干涉条纹反映两个光波ω1和ω2的光程差⊿c=⊿2－⊿1，其光强度为：式中K为常数，N c为等差线条纹级数。
双曝光法在全息底片上，对模型加载前后两种状态进行两次曝光，可以在一张全息底片上，同时记录下模型不受应力时的物光ω0和承受应力后的物光ω1和ω2。
用参考光照射这张全息底片，便可以同时再现ω0、ω1和ω2三个物光的波阵面，并互相干涉而形成组合干涉条纹。
这种组合条纹，可看作是这三种光波中任何一对光波的干涉条纹的组合。
两次曝光获得的干涉条纹同主应力差和主应力和都有关，它是由等和线条纹和等差线条纹调制而成的组合条纹。
光弹实验讲义课件
光弹实验原理
用光敏物质做成与待分析部件相似的模型，按部件实际受 力情况对模型施加应力。
模型的各受力点产生相应的双折射，即o光与e光折射率no 与ne不同，各点折射率差与该点内应力成正比，即 no -ne = k σ
纵树型叶根
光弹实验
大连理工大学 能源与动力工程实验教学中心
实验目的 实验原理 实验系统 实验内容 思考题
实验目的
利用光弹仪分析部件受到变化的外力时， 其内应力大的变化情况；
利用光弹仪分析部件受到外力时，其内应 力的方向分布情况。
光弹实验原理
双折射是光束入射到一些晶体中，分解为两束光而沿着不同 的方向折射的现象，两束光的传播速度和折射率随振动方向 不同而不同。
四分之一波片：能使透射出来的振动方向沿波片的快、慢轴分解 为互相垂直的两束偏振光，彼此间产生光程差为四分之一波长的 波片
圆偏振光的形成：偏振光的振动平面与1/4波片的快轴或慢轴成 45°夹角时，产生圆偏振光
光弹实验原理
主应力差与光程差有关：
E asint
沿 沿
1方向：E1 2方向：E2
a sin t cos a sin t sin
光弹性效应：有一些光学介质，它们在自然状态下是各向同 性的，没有双折射性质。但当受到机械力作用时，将成为光 学各向异性，出现双折射现象。这种双折射是赞时的，应力 解除后即消失，称之为光弹性效应。
光弹实验原理
并非所有物质都有光弹性效应，我们把具有明显光弹性 效应的物质，如环氧树脂、、玻璃、塞璐珞等称光敏物 质；将光弹性效应微弱的物质，如有机玻璃等称非光敏 物质。
等倾线：模型上某点主应力方向与偏振轴平行或垂直， 各点将产生一条干涉条纹，叫做等倾线
光弹效应实验报告
一、实验目的1. 理解光弹效应的基本原理。
2. 掌握光弹效应实验的操作步骤。
3. 通过实验观察和记录应力与折射率之间的关系。
4. 分析光弹效应在工程中的应用。
二、实验原理光弹效应，又称应力双折射效应，是指介质在受到外力作用时，其折射率发生变化的现象。
当一束单色光通过受力的有机玻璃材料时，由于应力场的存在，光在材料中的传播路径会发生改变，从而导致光束的偏振方向发生变化。
通过观察和分析这种现象，可以研究材料内部的应力分布。
三、实验仪器与材料1. 有机玻璃材料2. 平行光源3. 起偏器4. 检偏器5. 紫外线灯6. 加力装置7. 测量工具（如游标卡尺、螺旋测微器等）8. 记录本和笔四、实验步骤1. 准备实验装置，将有机玻璃材料放置在加力装置上。
2. 调整光源，使平行光束垂直照射到有机玻璃材料上。
3. 使用起偏器使光束成为线偏振光，并使其通过有机玻璃材料。
4. 在有机玻璃材料上施加应力，观察并记录光束通过材料后的偏振状态。
5. 使用检偏器检测偏振光的变化，记录相应的角度和应力值。
6. 重复步骤4和5，改变应力大小，观察并记录不同应力下的光弹效应。
7. 分析实验数据，绘制应力与折射率之间的关系曲线。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，当有机玻璃材料受到应力时，光束通过材料后的偏振方向发生了变化。
2. 随着应力增大，光束的偏振方向变化角度也随之增大。
3. 实验结果与理论分析基本一致，验证了光弹效应的存在。
六、讨论与总结1. 光弹效应是研究材料内部应力分布的重要手段，在工程领域具有广泛的应用。
2. 通过本实验，我们了解了光弹效应的基本原理，掌握了实验操作步骤，并观察到了应力与折射率之间的关系。
3. 实验过程中，应严格控制实验条件，确保实验结果的准确性。
4. 在实际应用中，光弹效应可以用于无损检测、材料力学性能研究等领域。
七、参考文献[1] 王金生. 材料光弹效应[M]. 北京：科学出版社，2010.[2] 张永强. 光弹效应实验研究[J]. 激光与光电子学进展，2013，50（3）：1-4.[3] 刘汉生，李永刚. 光弹效应在工程中的应用[J]. 材料导报，2012，26（10）：100-103.。
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实验装置
• • • • • • • • • 防震台 氦氖激光器 分束镜 准光镜 扩束镜 偏振片 四分之一波片 压力架 望远镜等
拟定方案
1、按图4-1-1安排光路，要求参考光和物光都是左旋（或都是右旋）圆 偏振光的平行光束，光程相等。 2、用硒光电池、电流计测量两光束光强比，参考光与物光光强比以5 ： 1 为好，在3：1~7：1范围内均可。 3、在压力架上放环氧树脂模型，加45公斤压力（压力表大针转一圈半）。 遮住激光束，在黑暗条件下放好全息干板。曝光60秒，显影、定影， 用吹风机凉风吹干，得一次曝光全息图。 4、换有机玻璃圆环模型，在无压力时作第一次曝光，曝光30秒；然后加 45公斤压力，再曝光30秒，得两次曝光全息图。 5、将全息图放回干板架，撤去模型，用参考光照明，观察圆环立体虚象， 通过望远镜可看到圆环虚象内有明暗相间的干涉条纹。由二次曝光全 息图可看到等和线；由一次曝光全息图可看到等差线。
基本原理及实验内容
（三）等和线和等差线 取非光敏物质做成模型，经过曝光后，得到光强为：
Hale Waihona Puke I 1 2 cos(2 ) cos(c ) cos2 (c )
两次曝光时，为等和线，上式变为 I=2+2cos(2πηρ) 当ηρ=0，±1， ±2， ±3…时，I=4,相应的点成为亮条纹。 当ηρ= ± 1/2，±3/2， ±5/2…时，I=0,相应的点成为暗条纹。 一次曝光时，为等差线，上式变为： I=1/2+cos2(πηC) 当ηC=0，±1， ±2， ±3…时，I=3/2,相应的点成为亮条纹。 当ηC= ± 1/2，±3/2， ±5/2…时，I=1/2,相应的点成为暗条纹。
实验的问题
• 实验中圆偏振光的作用 • 全息光相干条件是什么
参考文献
• 【1】天津大学材料力学教研室光弹室.全息干涉法.光弹 性原理及测试技术.科学出版社，1980 • 【2】高立模，夏顺宝，陆文强.近代物理实验.南开大学 出版社，2006
4-1 光弹性效应
2014.10.23
实验目的
• 利用光弹仪分析部件受到外力时其内应力的分布情况已有 多年历史，全息光弹法是其新发展。本实验通过两次曝光 法和一次曝光法的操作，了解全息干涉原理在内应力分布 中的应用。
基本原理及实验内容
（一）光弹性效应 某些晶体在自然状态下即有双折射性质，称自然双折射。另有一 些光学介质，它们在自然状态下是各向同性的，没有双折射性质。但 当受到机械力作用时，将成为光学各向异性，出现双折射现象。这种 双折射是赞时的，应力解除后即消失，称之为光弹性效应。并非所有 物质都有光暂时的，应力解除后即消失，称之为光弹性效应。并非所 有物质都有光弹性效应，我们把具有明显光弹性效应的物质，如环氧 树脂、、玻璃、塞璐珞等称光敏物质；将光弹性效应微弱的物质，如 有机玻璃等称非光敏物质。 光弹性效应为人们提供了研究机械零件、建筑构件等物体内部应 力的方法。用光敏物质做成与待分析部件相似的模型，按部件实际受 力情况对模型施加应力。模型的各受力点产生相应的双折射，即o光 与e光折射率no与ne不同，各点折射率差与该点内应力成正比，即 no -ne = k σ 式中k 为常数。把模型放在透振方向正交的起偏镜、检偏镜之间， 用单色面光源照明，即可看到模型中有分布条纹，条纹密处是应力较 大的部位，条纹疏处是应力较小的部位。这样就可以利用条纹分布情 况分析部件受到外力时其内应力的分布。利用以上原理制成的仪器称 光弹仪，它应用于科研、生产中已有半个世纪的历史。
基本原理及实验内容
（二）全息光弹法 激光的问世为光弹分析提供了有力的工具，发展了利用全息干涉 原理研究光弹性效应的技术，称全息光弹法。本实验将通过两次曝光 法和一次曝光法的操作，向同学们介绍全息光弹法。两次曝光法光路 如图
基本原理及实验内容
在一个全息照相用的防震台上，让激光束经分束镜分为两束。一 束经扩束镜、准光镜成为平行光，再通过偏振片和四分之一波片成为 圆偏振光，经毛玻璃散射后照射待测模型，透过模型投射于全息干板 上，这是物光：另一光束经另一套扩束镜、准光镜、偏振片和四分之 一波片，成为一束圆偏振光的平行光束，直接投射于全息干板上。物 光与参考光需同是左旋（或同是右旋）的圆偏振光。在模型未加外力 时，让物光与参考光同时投射到全息干板上作第一次曝光，记录一次 全息条纹；然后给模型加上适当应力，再作第二次曝光。经两次曝光 记录了两套干涉条纹的全息干板显影定影后，成为全息图。放回拍摄 的位置，撤去模型，遮掉物光，以参考光束照明全息图。迎着原物光 方向观看，可看到原模型位置有一个模型的立体虚象，通过望远镜可 看到模型虚像中有明暗相间的干涉条纹。以σ １ 表示模型受力最大 方向的应力，σ ２表示受力最小方向的应力，称σ １与σ ２为主应力。 由于沿一个干涉条纹各点有相同的主应力和（σ １+σ ２），称此条 纹为等和线。二次曝光法适用于用非光敏物质如有机玻璃所做的模型， 用于观察等和线。