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.。
光弹性实验介绍
光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法在光测弹性仪上进行先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型受力后以偏振光透过模型由于应力的存在产生光的暂时双折射现象再透过分析镜后产生光的干涉在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象根据它即可推算出构件内的应力分布情况所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用
（1）白光光源下采用正交圆偏振场观察，黑色的 条纹是零级条纹，而其他级次的条纹呈现为彩色。
（2）利用应力分布规律，如模型的自由方角；纯弯曲 梁的中性层；拉应力和压应力的过渡等位置上，必然 是σ ′=σ ″= 0，这些位置出现的等差线必为零级。
确定零级条纹后，其他条纹级次可依据应力分布连续 性原理依次定出。总体规律是：在白光照射下条纹级 数从低向高增加时，各级条纹颜色变化由深向浅。
应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方
便和有效。
光弹性法特点
模型实验（相似关系） 全场显示与分析（反映全场应力分布的
干涉条纹图） 直观性强（应力分布规律由干涉条纹分
布形象地显示）
光弹法基本原理
用某种透明材料制成转头模型，模拟被测 物受力状态，将其放置在偏光场中，通过观察 模型受力后产生的光弹效应来分析应力的方法。
光弹性方法的特点： 1.直接测量应力的大小和方向； 2.可显示全场应力分布，进行全场分析； 3.可测内部应力； 应力冻结法 4.可测三向应力。
光弹效应实验讲义
如果用光程差 表示，则由于 2 ，得
I K (a sin )2
很清楚的由公式我们可以看到仅在
N
，即△=
N ( N 0,1,2,... )时才会出现暗点，这也表示利用圆偏振场的确可以消除等倾线
对条纹图形的影响。
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，彩色的条纹称为等差线，它
实验图 二
1：将二维+LD导轨的一端，打开电源，调整二维+LD上的二维调节旋钮， 使得激光沿导轨平行出射。
2：在导轨按着如实验图二所示的光路放入扩束镜和透镜，调节透镜的位 置，使得从透镜出来的光为准直的平行光束。
2：在透镜前面放入偏振片（起偏器）， 旋转起偏器，使得出射的光束较亮，在第一个偏振片的前面放入第二 偏振片（检偏器），旋转第二个偏振片，使得出射的光最暗。（可以用眼 睛迎着光的方向观察。）此时两个偏振片正交。
目录
实验 光弹性效应实验.......................................................................................................................1
.I.
实验 光弹性效应实验
一: 实验设备
6：将压力架放入两个正交的偏振片之间，打开压力架上压力指示器，并 将光弹性材料放入压力架中， 旋转压力架上方的旋扭给光弹性材料加压，，边观察压力的大小边加 压，压力的大小不要超过压力指示器的量程（50kg）此时能看到红色的 条纹（等差线）和黑色的条纹（等倾线）。改变压力的大小，观察等差线 和等倾线的变化情况，直到等差线和等倾线的梳密和数量都合适为止 。然后旋转起偏器和检偏器，使得黑色条纹（等倾线）成“十”字形状。
光弹性实验
光弹性实验一．实验目的1.光弹性实验是一种光学的应力测量方法，是材料力学实验的重要组成部分。
通 过该实验熟悉光弹性等色条纹级次的判定方法。
2.理解材料条纹的力学意义 二．实验原理塑料、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。
但是当它们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。
光弹性法的光源有单色光和白光两种，单色光是只有一种波长的光；白光则是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种单色光组成的。
发自光源的自然光是向四面八方传播的横振动波。
当自然光遇到偏振片时，就只有振动方向与偏振轴平行的光线才能通过，这就形成平面偏振光，其振动方程为vtA u λπ2sin= （1）式中A 为光波的振幅，λ为单色光的波长，v 为光波的传播速度，t 为时间。
根据光学原理，偏振光的强度与振幅A 的平方成正比，即2KA I = （2） 比例常数K 是一个光学常数。
用具有双折射性能的透明材料（如环氧树脂塑料或聚碳酸脂塑料）制成与实际构件相似的模型，并将它放在起偏镜和检偏镜之间的平面偏振光场中（见图1）。
当模型不受力时，偏振光通过模型并无变化。
如模型受力，且其某一单元的主应力为1σ和2σ，则偏振光通过这一单元时，又将沿1σ和2σ的方向分解成互相垂直，传播速度不同的两束偏振光，这种现象称为双折射。
由于两束偏振光在模型中的传播速度并不相同，穿过模型后它们之间产生一个光程差∆。
实验结果表明，∆与该单元主应力差()21σσ-和模型厚度h 成正比，即()21σσ-=∆Ch （3）式中比例常数C 与光波波长和模型材料的光学性质有关，称为材料的光学常数。
公式（3）称为应力光学定律。
光弹性法的实质，是利用光弹性仪测定光程差∆的大小，然后根据应力光学定律确定主应力差。
三．平面偏振布置PAΨσ1σ2uu 1,u ‘1u 2,u‘2o图2偏振轴与应力主轴的相对位置图1 受力模型在正交平面偏振布置中光源起偏镜模型检偏镜PA如图1所示的正交平面偏振布置，用符号P 和A 分别代表起偏镜和检偏镜的偏振轴。
实验报告4-1 光弹性效应
光弹性效应实验报告实验原理：1. 光弹性效应：有些光学介质在自然状态下没有双折射性质，但当受到机械力作用时，出现双折射现象，应力解除后现象随之消失，这种现象称为光弹性效应。
把具有明显光弹性效应的物质称为光敏物质，其他称为非光敏物质。
在实际应用中，可以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施加相应的应力。
模型的各受力点产生相应的双折射，即o光与e光折射率n o与n e不同，各点折射率差与改点内应力成正比，即n o-n e=kςK为常数。
利用此原理制成的仪器称为光弹仪。
2.全息光弹法全息光弹法是利用全息干涉原理研究光弹性效应的技术。
光路图如图4-1-1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，这束光称为物光；另一束光经另一套扩束镜，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。
物光与参考光须同时左旋或右旋的圆偏振光。
在模型未加外力时，让物光和参考光同时投射于全息干板上做第一次曝光，记录一次全息条纹；然后给模型加上适当应力，在做第二次曝光。
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，撤去实验模型，遮掉物光，以参考光束照射全息图。
迎着原物光方向看，可看到原模型位置有一个所用实验模型的立体虚像，透过望远镜可看到虚像中有明暗相间的干涉条纹。
以ς1表示模型受力最大方向的应力，ς2表示受力最小方向的应力，称ς1与ς2为主应力。
由于沿一个干涉条纹各点有相同的主应力和（ς1+ς2），称此条纹为等和线。
二次曝光法适用于非光敏物质，用于观察等和线。
一次曝光法光路同上，只是在模型未加外力时不曝光，仅在给模型加好外力后作一次曝光，只记录一次全息条纹。
显影定影后放回原位用参考光照明，可用望远镜在模型虚像中看到另一组干涉条纹。
近代物理实验4-1 光弹性效应
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5
实验器具
▪ 氦氖激光器 分束镜 反射镜 扩束镜 准光镜 偏振片 1/4波片
毛玻璃 待测模型 全息干板 压力架 望远镜
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6
实验过程
▪ 安排好光路，然后使偏振片透振方向与波片快轴成45°夹角， 即保证物光和参考光都是左旋（或右旋）偏振光，再使两光 束平行且光程差大致相同；
▪ 测量两光束光强比，参考光与物光5：1为宜；
▪ 在压力架上放上环氧树脂模型，加上45千克压力。遮住激光 束，在黑暗中固定好全息干板。然后曝光60秒，显影、定影， 并用吹风机吹干，得一次曝光全息图；
▪ 换有机玻璃圆环模型，在无压力下曝光30秒，然后加45千克 压力，曝光45秒，得两次全息曝光图；
▪ 将全息图放回干板架，撤去模型，用参考光照明，观察圆环 立体虚像。通过望远镜找到明暗相间的干涉条纹。
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实验器具实验器具氦氖激光器氦氖激光器反射镜反射镜偏振片偏振片1414波片毛玻璃毛玻璃待测模型待测模型全息干板全息干板压力架压力架望远镜望远镜实验过程实验过程安排好光路然后使偏振片透振方向与波片快轴成安排好光路然后使偏振片透振方向与波片快轴成4545夹角夹角即保证物光和参考光都是左旋或右旋偏振光再使两光即保证物光和参考光都是左旋或右旋偏振光再使两光束平行且光程差大致相同
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4
等和线&等差线
▪ 两次曝光法得到的光强分布为：
I 1 2 c o s (2)c o s (c ) c o s 2 ( c )
▪ 若取非光敏物质做成模型做两次曝光，由于ηc≈0， 则上式成为：
光弹效应实验讲义
目录实验光弹性效应实验 (1)实验光弹性效应实验一: 实验设备光学实验导轨1000mm 1根白光光源（含电源）1台二维+LD（含电源）1台扩束镜1套光弹性材料1块1/4波片2套偏振片2套压力架1个滑块8个透镜1个白屏1块二：实验原理塑料、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。
但是当它们受到应力的时候，就会变成各向异性而显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。
各向同向的介质在某一方向受应力时，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 ，则在一定的范围内：n o–n e =CPC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：L n n e o )(2-=λπφ单色光通过起偏镜后成为平面偏振光 ()t a u ωsin =u 到达第一个1/4波片后，沿波片分解成快、慢轴平面偏振光u1、u2 t a u ω45cos sin 1=︒= t a t a u ωωsin 245cos sin 2=︒=通过1/4波片后，u1、u2相对产生向位差2/π，则成为t a t a u ωπωcos 22sin 2'1=⎪⎭⎫ ⎝⎛+= (沿快轴) t au ωsin 2'2= (沿慢轴)u1、u2合成为圆偏振光。
设受力模型上o 点的主应力1σ的方向与第一个1/4波片的快轴成β角。
当u1、u2入射到模型o 点时，分别沿该点主应力1σ、2σ方向分解为()βωββσ-=+=t au u u cos 2sin 'cos '211 (沿1σ方向) ()βωββσ-=-=t au u u sin 2sin 'cos '211 (沿2σ方向) 通过试片后，1σu 、2σu 相对产生相位差φ，成为()φβωσ+-=t a u cos 2'1()βωσ-=t au sin 2'2 同理，可知经过第二个1/4波片后，公式就成为()()[]ββωβφβωsin sin cos cos 2'3--+-=t t a u (沿慢轴) ()()[]βφβωββωsin sin cos cos 2'4+---=t t au (沿快轴)3'u 、4'u 通过检偏镜后得合成偏振光为())22cos(2sin 45cos ''435φβωφ+-=︒-=t a u u u 当：φβ-︒=45，上式可简化为：⎪⎭⎫ ⎝⎛++=22cos 2sin 5φφωφt a u 如此一来，光通过检偏镜后再次利用光强公式我们可以写成2)2sin (φa K I =如果用光程差∆表示，则由于∆=λπφ2，得2)sin (λπ∆=a K I 很清楚的由公式我们可以看到仅在πλπN =∆，即△= λN (,...2,1,0=N )时才会出现暗点，这也表示利用圆偏振场的确可以消除等倾线对条纹图形的影响。
光弹性实验报告
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：11sin()u a t ω= （1）22sin()u a t ωφ=+ （2） 式中 1a 2a —振幅φ—两束光波的相位差将上述两方程（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12a a a ==，2πφ=，则方程式成为圆的方程：22212u u a += （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。
光弹性效应实验报告
一、实验目的1. 了解光弹性效应的基本原理；2. 掌握光弹性效应实验的方法和步骤；3. 分析光弹性效应在不同材料中的表现；4. 提高对光学测试技术的认识。
二、实验原理光弹性效应是指当透明材料受到应力作用时，其光学性质发生改变的现象。
这种现象可以通过偏振光来观察。
当材料受到拉伸或压缩应力时，其折射率会发生变化，从而导致光波在材料中传播速度的改变，进而影响偏振光的传播方向。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：光弹性效应测试仪、显微镜、偏振片、透明材料（如玻璃、塑料等）、样品夹具；2. 实验材料：透明材料样品。
四、实验步骤1. 准备实验材料：将透明材料样品切割成所需尺寸，并清洗干净；2. 安装样品：将样品放入样品夹具中，确保样品表面平整；3. 连接仪器：将光弹性效应测试仪与显微镜连接，调节仪器至最佳状态；4. 选择偏振片：根据实验要求选择合适的偏振片；5. 观察现象：开启测试仪，观察偏振光在透明材料中的传播情况，记录现象；6. 分析结果：根据观察到的现象，分析光弹性效应在不同材料中的表现；7. 实验数据整理：整理实验数据，绘制实验曲线。
五、实验结果与分析1. 实验结果：（1）当透明材料受到拉伸应力时，其折射率减小，光波传播速度变快，偏振光传播方向发生改变；（2）当透明材料受到压缩应力时，其折射率增大，光波传播速度变慢，偏振光传播方向发生改变；（3）不同材料的应力-折射率关系不同，表现出不同的光弹性效应。
2. 实验分析：（1）光弹性效应是材料受到应力作用时，其光学性质发生改变的现象；（2）通过观察偏振光在透明材料中的传播情况，可以判断材料受到的应力类型和大小；（3）光弹性效应在工程领域有广泛的应用，如材料力学性能测试、光学器件设计等。
六、实验总结本次实验通过观察光弹性效应在不同材料中的表现，掌握了光弹性效应实验的方法和步骤。
实验结果表明，光弹性效应在工程领域有广泛的应用前景。
在今后的学习和工作中，我们将进一步深入研究光弹性效应，为相关领域的发展做出贡献。
近代物理实验4-1
原光波比较，在σ 1、σ 2方向位相的变化 型的位相变化 分别为
以及穿过无应力模
二、实验原理
由此可知光程变化分别为
σ 1、σ 2称为绝对减速, σ 3称为相对减速。
二、实验原理
全息光弹性的基本方程
全息干涉可以代替一般光弹仪,用一次曝光法,或遮闭参考光,只用物光
摆成通常光弹偏振场,可测得等差线及等倾线。要想测取等和线,则必 须用两次曝光法或实时观察法。 在圆偏光场下,两次曝光法再现光波的基本方程
0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。
二、实验原理
二、全息光弹法 利用全息干涉原理研究光弹性效应的技术，称全息光弹法。 半个世纪以来,古典光弹性方法在工程结构及机械零件强度研究中,已经得到 广泛的应用,特别对解决应力集中问题,它是最有效的方法之一。但它也存在某 些缺点,其中一个大的缺点是,仅利用一般光弹性法所取得的数据,需要通过繁 琐的计算或者采用其他辅助方法才能解得全部应力分量。有人试图用光干涉法 ,测取光的绝对减速,但由于对模型表面加工要求过高,不易推广。自从有了全 息照相技术,就给革新光弹性试验技术创造了有利条件。全息干涉最大的特点 是,不但能记录物光光强,而且能记录物光波的位相。而光弹性最基本的物理基 础是,偏振光通过受力的透明物体产生双折射,物体同时产生变形(如模型厚度 的变化),这就使通过物体的光波产生相位差。因此全息照相用于光弹性是很恰 当的。用全息干涉法不但可测取等差线和等倾线,还可测得等和线(主应力和相 等的条纹)。这就可以直接由上述试验数据获得各点的应力状态(应力大小和方 向),而不再需要其他辅助方法。[1]
上推导，可得
I2
当
当
1 cos 2 ( p ) 2
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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。