物理效应及其应用—其它物理效应

了人为双折射物质，光轴如图中虚线所示。平行主截面（e光一非常
光）的光振动和垂直主截面（o光一寻常光）的光振动的传播速度，
或试样对二者表现的折射率不同,e光、o 光折射率之差与压强P的关
系为： ｎｅ－ｎ０＝ＫＰ 式中K为比例系数。
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弹光效应
•压强造成试样内部的应力，应力的存在，改变了材料的光学性质。 不是所有物质都有明显的弹光效应，环氧树脂，玻璃，赛璐璐等 为弹光敏感物质。 • 弹光效应提供了研究机械零件，建筑构件内部应力分布的一个 有力方法，在材料力学测试领域构成了光弹技术，实现这种技术 的方法是用环氧树脂仿照实物制作一个缩小的模型，按实际运行 中受力情况对模型施加外力，象图６－６(b)那样将模型置于两个 光轴互相垂直的偏振片之间，通过偏振片2就可观察到如图６－６ (C) 所示的干涉条纹，偏光干涉条纹的分布反映了试样中应力的分 布。条纹密集的地方应力大，稀疏之处应力小 ，依此可对应力分 布作定性了解，随着光弹技术与激光技术的结合，采用激光作光 源发展出基于二次曝光的全息光弹技术，使光弹技术更趋完美。 • 有些材料如玻璃，由于加工制造，内部会存在内应力，纵使不 施加外力力，也能观察到偏光干涉条纹，因此弹光效应也可用来 检查玻璃器件（如透镜）中是否存主内应力。
图６－２ 光导纤维
光纤除用于通讯外，还可以制作各 种光纤传感器及各种特殊器件，如 光纤陀螺等。
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• 现在，回到图6-1(a) 若在第二种媒 质(如空气中)，象图6-1(a) 那样，
光通过折射率为n1的介质发生 全反射，在距离介质n1和n2界面很 近处，放一折射率为 n 3 的棱镜（n 3 > n 2，或等于 n 1，这时会发现，只 要间隔足够小(小于穿透深度），媒 质n1中的全反射会受到抑制，光线 将能穿越n2进入媒质n3 区，这现象 称为光学隧道效应。
•各向同性的透明材料，在压力或
拉力作用下好似成了负的或正的
单轴晶体，光轴处于应力方位，
诱导出的双折射效应正比于应力。
图6－6 弹光效应
如图6－６（a）所示，将试样放在两个光轴互相垂直的偏振片之间，
自然光通过偏振片１成为偏振光照射在试样上，当对试样加压，在
偏振片２之后便可观察到彩色干涉条纹。这是因为加压后，试样成
•１代表光波在第一种媒质中传播的速度
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•上式描绘了一个振幅随ｚ的增加 而衰减，等相面以速度 １／sin１ 沿Ｘ轴传播的非均匀波－－消逝 波。如图６－1（a）所示，
等幅面是平行界面ｚ＝常数的面
等相面是垂直界面Ｘ＝常数的面
•如果界面有极微小的起伏，如图 ６－1（b）所示，则等幅面也跟 随着起伏，表面的形貌信息便反 映到等幅面形状上了。依上式可 知，
第六章 其它物理效应 第一节 光 隧 道 效 应
当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角１ 大于临界角Ｃ时，便会发生全反射，界面将能 量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒 质中没有光波电磁场。
利用电磁场理论，可以得到，当入射角大于临界角时， 第二种媒质中的电场分量为： Ez＝E0 exp[-(2π/λ) • √n12sin2θi－n22z]exp[-i ω •(t－xsinθi /υ1)]
• Z＝λ/2π√ (n1 sinθi)2－n22
图６－１光全反射
在 处振幅下降为界面处的１/ｅ，ｚ为穿透深度。
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光导纤维内的全反射
光的全反射现象用来制造 光纤，用两种折射率不同的玻 璃拉成同轴电缆似的细细的光 导纤维丝。如图６－2所示， 中心折射率大，外层折射率小， 图左表朋了折射率的径向变化。 由于全反射，光线经受不断反 射向前传播。将大量光纤集成 一束（光缆），既可以传送图 象，也可以传送声音。因为光 纤有信息传输容量大，又可避 免电磁干扰等特点，促使各国 近年来不借耗资发展光纤通讯。
从光纤的一端到另一端的传递。
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• 光纤器件有体积小、重量轻、
宽频带、容量大等优点，正在军
事和高新技术中越来越受到重视。
新近，利用光隧道效应原理发展
了一种探侧表面形貌的激光光隧
道显微镜。由图６－１（ｂ）可
见，消逝波的等幅面包含表面形
貌信息，用一根光导纤维做成的
探针，扫描等幅面，就可得知表
面“地形”，因为光隧道效应，
值，提取Ｘ、Ｙ位置对应的Ｚ，经图象处理和显示系统就可看到样品
表面的形貌图象。
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第二节 弹 光 效 应
•1816年Sir Davld Brewstet 发现透 明的各向同性物质会由于应力而 出现光学各向异性，原来不具双 折射的各向同性物质表露出力致 双折射的现象，称为弹光效应 （photoclasticity）。
光纤探针所到处的全反射受到抑
制，有光隧穿进入光纤的光可由
光电探测器检测。图６－5表明
激 激光光光束隧打道在显样微品镜Байду номын сангаас的面示，意形方成块消图逝，图６－５光隧道显微镜示意图
场 在压，电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强
（等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描Ｘ，Ｙ时。
调节探针的高度Ｚ，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的
由光电探测器接收，即ｂ，ｃ两段的光程差决定了光电探测器的信号
强度。现在若把录音机或收音机输出的音频信号电压加到压电陶瓷上，
电信号就变成了压电陶瓷的机械振动，引起ｃ段光程，即ｂ、ｃ两段
的光程差发生变化，使音频信号载于光波之上，光探测器接收的干涉
信号也就随音频而变化。再把这信号放大推动扬声器，便完成了声音
它与电子穿透势垒的隧道效应类似， 是光的波动性必然结果。
• 光学隧道效应可目来实现光信号 的耦合，它在集成光学、光纤技术 中十分有用。图6-3（b）表明光信 号向光波导薄膜的耦合。
图６－３光学隧道效应
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• 图6-4明两条光纤通过光学隧道效
应实现耦会构成迈克逊干涉仪式的 光纤通讯系统。图中光耦合器是通 过烧融或磨合将两根光纤的一部分 靠得很近，在此，可以由光学隧道 效应实现耦合。
•光纤耦合器起到迈克逊干涉仪中分束 器的作用，在这里实现分光和合光，
•其中一根光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷 上、压电陶瓷的径向伸缩可改变光纤 的长度，相当迈克逊干涉仪中反射镜 的移动，起到了改变光程的作用。
图６－４光耦合与光通讯
•从光源传入光纤ａ段的光，在耦合器一分为二，一路沿ｂ，一路沿C，
这两路光在光纤端面被反射，这两路反射光经耦合器合光进入ｄ段，