應力雙折射

應力雙折射

應力雙折射指透明的固體媒質在壓力或張力的作用下,折射率特性會發生改變。若媒質是光學各向同性的,那么外力的作用就使它成了各向異性的,會產生雙折射。若媒質本來就是光學各向異性的晶體,那么外力作用會使它產生一個附加的雙折射,這一現象稱為應力雙折射,也稱為機械雙折射或光測彈性效應。T.J.塞貝克在1813年和D.布儒斯特在1816年最早研究了這一現象。

應力雙折射

常以折射率橢球方程描述晶體的光學特性。在主軸坐標系中,折射率橢球方程可以寫為

應力雙折射。 (1)

當有外力作用於媒質時,折射率橢球方程變為

a1x2+a2y2+a3z2+a4yz+a5xz+a6xy=1。 (2)

式(2)與式(1)相比各項係數之差與各應力分量成正比,

應力雙折射, (3)

其中p1,p2,…,p6分別表示各應力分量pxx、pyy、pzz、pyz、pxz、pxy,前三個為法向應力,後三個為切向應力;ni為晶體中各折射率分量,n1=nx,n2=ny,n3=nz,n4=n5=n6=0。係數qij稱為應力光學常數,可用一個6×6的矩陣表示,其中有些矩陣元可能為零,有些彼此相關。同一類型的晶體非零矩陣元以及各矩陣元之間的關係是相同的,而每個矩陣元的數值則因材料而異。
各向同性材料,情況要簡單得多。若將受力T作用的各向同性材料M放在兩正交偏振器P與A之間(如圖),取光傳播方向為z軸,材料在z軸方向長度為l,力與z軸垂直。光通過M後,兩偏振分量的位相差近似為

應力雙折射 (4)

式中p為應力,k為與應力光學常數及媒質折射率n有關的物質常數。由式(4)可見,位相差δ 是波長的函式。若以白光照明,迎著z所指的方向觀察,可以看到彩色的偏振光干涉圖樣。藉助補償器B可測量應力雙折射的大小。
應力雙折射應力雙折射
利用這一裝置,在不加外力的條件下,可檢驗光學材料的內應力。在工程上,可用應力雙折射效應觀察各力學結構的應力分布。為此可用各向同性的透明的應力光敏材料做成縮小的模型,在正交偏振器間觀察偏振光的干涉圖樣。同樣,也可用這一方法檢查機械零件在加負載狀態下的應力分布。利用應力雙折射效應可以做成可調的壓光補償器或壓光調製器。材料可選用熔石英或氟化鋰。

配圖

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