光彈性效應

光彈性效應

塑膠、玻璃、環氧樹脂等非晶體在通常情況下是各向同性而不產生雙折射現象的,但當它們受到應力時,就會變成各向異性顯示出雙折射性質,這種現象稱為光彈性效應。

舉例

例如把塑膠膜拉緊後夾在兩塊偏振片之間,通過白光觀察可以看到彩色圖樣,拉圖改變,彩色圖樣也發生變化,顯示出雙折射性質隨應力變化,又如玻璃在製造過程中,由於冷卻不均勻,使內部受到不同程度的應力,常常會自行破裂,把玻璃放在兩塊偏振片之間觀察應力引起的雙折射現象,就可以檢查出內部應力的分布情況,在單色光照射下可以看到明暗交替的花樣;在白光照射下,則顯示出彩色花樣,為了消除光學玻璃的內部應力,在磨製光學元件例如天文望遠鏡的鏡頭等之前,必須進行緩冷處理和偏振光檢查。

原理

各向同性介質在某一方向受壓力或拉力作用時,在這方向上就形成介質的光軸,若這時出現的o光和e光的折射率分別為no 和ne,則它們通過厚度為 的物體後產生的光程差為

δ=(no-ne)ζ

實驗表明,在一定的應力範圍內 與應力 P 成正比,即

no-ne=cp

式中C為介質的材料係數,它和材料的性質有關。

這樣,兩束光經厚度為 的形變介質層後,所得的光程差為

δ=(no-ne)ζ=cpζ

其位相差即為

Δφ=2π(no-ne)ζ /λ= 2πcpζ /λ

這兩束光經形變介質後又射至檢偏器,這時兩束光都成為振動面平行於偏振器主截面的平面偏振光,因而能夠通過檢偏器,由於它們頻率相同,有固定的位相差,振動方向又相同,因而能產生干涉,干涉的結果決定於它們的位相差。

如果形變介質受力是均勻的,那么觀察到的彩色是相同的,如果形變介質受力是不均勻的,有的地方出現的顏色也就不同,如果應力分布相當複雜,那就會呈現出五彩繽紛的複雜圖案。

套用

利用這個方法來研究介質應力的分布,目前已發展成為一個專門的學科——光測彈性學,它為工程設計解決了極其複雜的應力分析問題。

相關效應

在外界動力作用的影響下,液體也能發生光學的各向異性,舉例來說,液體在兩個同軸圓筒(一個固定,一個轉動)間流動而發生速度梯度時,即表現出雙折射性能,折射率差值可達相當大的數值;液流方向和液體光軸之間的夾也很大。

被超聲振動激發的液體中,也發現了雙折射現象,這也是由於在聲波場中存在液體速度梯度的緣故。

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