第一章 光弹性的基本原理PPT讲稿.ppt

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1、第一章 光弹性的基本原理第1页，共56页，编辑于2022年，星期一1-1光弹性的物理基础 把光弹性 模型放在偏光仪的光路中，使其受力，在白光或单色光的照射下，是可以观察到彩色或黑白图案，这就是光弹效应。第2页，共56页，编辑于2022年，星期一 光弹性效应是模型材料的双折射性质和光波干涉所产生的结果。在光弹性里把条纹图称为应力光图。等差线 等倾线第3页，共56页，编辑于2022年，星期一 偏振光：光波是电磁波，电磁波对物质的作用主要是电场，所以电场矢量又称光矢量，由于电磁场波是横波，所以光波中光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直，但是在垂直于光传播的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，这

2、种振动状态通常称为偏振态。光的偏振态一般分为四种。第4页，共56页，编辑于2022年，星期一 自然光：普通光源各个分子或原子发出的波列不仅初相位互不相关，而且光振动的方向也彼此互不相关，它们是随机分布的，在垂直于光波传播方向的平面内，沿各个方向都有振动的光矢量。第5页，共56页，编辑于2022年，星期一 光矢量只一个方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光第6页，共56页，编辑于2022年，星期一 光传播时，光矢量绕着传播方向旋转，其旋转角速度对应光的角频率。如果顺着光传播方向看去，光矢量端点的轨迹是圆，这种光称为圆偏振光。第7页，共56页，编辑于2022年，星期一 光传播时，光矢量绕

3、着传播方向旋转，其旋转速度对应光的角频率。如果逆着光传播的方向看去，光矢量端点的点轨迹是椭圆，这种光称为椭圆偏振光，并分为左旋和右旋。第8页，共56页，编辑于2022年，星期一光的干涉 理论和实践都已证明，光强I与光波振幅A的平方成正比，即I=KA2 光波产生干涉的条件是：频率相同，振动方向相同，并有固定的相位关系。现有满足上列条件的两列光波，其振幅分别为A1和A2，当它们经过空间某一点时，每一列波都要在该点引起一个振动，而该点的光振动就是两个振动的合成结果。合成的光波也在同一平面内，其振动将由他们的位相差来决定。下面看两种特殊情况：第9页，共56页，编辑于2022年，星期一 1、光波E1的波

4、峰与光波E2重叠，它们的相位相同，则合成波E的振幅加强，等于A1+A2，光强为 IE=K（A1+A2）2 此时倍觉明亮，称为相长干涉。第10页，共56页，编辑于2022年，星期一 2、光波E1的波峰与光波E2的波谷重叠，则合成波E的振幅为 A1-A2，光强减弱为 IE=K（A1-A2）2 称为相消干涉。如A1=A2，则IE=0第11页，共56页，编辑于2022年，星期一 上面是对单色光而言的，干涉的结果是出现明暗条纹的现象。如果是白光，干涉的结果是出现彩色条纹。因为白光使不同波长的七种色光的组合，当产生光的干涉现象时，不可能是七种色光同时加强或减弱。当一种色光（单色光）相抵消时，还有六种色光没

5、抵消，因而看到的就是其余色光的混合光。第12页，共56页，编辑于2022年，星期一 当一光线进入到某些晶体物质时，会分成互相垂直的线偏振光，这种性质称为双折射。两偏振光在晶体中的传播速度不同，故其折射率（设为n1，n2）也不同，因此，通过晶体厚度d后，两光之间出现了光程差，用表示，其值为 =（n1-n2）d第13页，共56页，编辑于2022年，星期一 对于某些非晶体，原来是光学各向同性的性质，但在承受外力后，这类物质像晶体一样，也出现双折射现象，只不过这种双折射现象是暂时的，当应力去除之后，物质又恢复到原来的光学各向同性性质，故称这种双折射为暂时双折射。第14页，共56页，编辑于2022年，星

6、期一1-2琼斯矢量和琼斯矩阵由于时间项对光强和振幅无影响，设其值为1，则琼斯矢量为 （1-2）这束光的强度为 （1-3）式子中的*表示共轭 第15页，共56页，编辑于2022年，星期一归一化的琼斯矢量为：式 中 B=则琼斯矢量可表示为：E=或者E=第16页，共56页，编辑于2022年，星期一表1-1 偏振光的琼斯矢量第17页，共56页，编辑于2022年，星期一第18页，共56页，编辑于2022年，星期一第19页，共56页，编辑于2022年，星期一第20页，共56页，编辑于2022年，星期一第21页，共56页，编辑于2022年，星期一第22页，共56页，编辑于2022年，星期一第23页，共56页

7、，编辑于2022年，星期一 表表 1-2 光学器件的琼斯矩阵光学器件的琼斯矩阵第24页，共56页，编辑于2022年，星期一 续表1-2 光学仪器的琼斯矩阵第25页，共56页，编辑于2022年，星期一 续表1-2 光学仪器的琼斯矩阵第26页，共56页，编辑于2022年，星期一1-3偏光弹性仪 偏光弹性仪第27页，共56页，编辑于2022年，星期一 偏振片放置法P1，P2的偏振轴正交，此时光线不能通过。P1，P2的偏振轴平行，此时光线能通过第28页，共56页，编辑于2022年，星期一第29页，共56页，编辑于2022年，星期一偏光弹性仪认识实验第30页，共56页，编辑于2022年，星期一*调整仪器

8、应注意以下各点1.要求光源、偏振片、分析片、四分之一波片合格透镜中心在同一水平轴上。2.开启光源，调节聚光镜与光源之间的距离，以产生平行光线。3.调节明场合暗场。第31页，共56页，编辑于2022年，星期一1-4平面光弹性的应力-光学定律用透明材料制成模型，并使模型受力处于偏振光场中，便可以出现双折射现象。1.光波垂直通过平面受力模型内任一点，它只沿这点的两个主应力方向分解并振动，且只在主应力平面内通过。2.两光波在两主应力平面内通过的速度不等，因而其折射率发生了变化，其变化量与主应力大小成线性关系。A，B是模型材料的应力光 学常数第32页，共56页，编辑于2022年，星期一由于两光波通过模型

9、厚度d后有一定光程差出现所以一入射光波长除之上式，得到相对光程差n为 （1-7）上式称为平面光弹性的应力-光学定律。于是只要知道项对光程差n以后，就可以求出平面模型内各点的主应力差。第33页，共56页，编辑于2022年，星期一 （1-8）其中 称为模型条纹值，单位N/m2级 称为材料条纹值，单位是N/m级 越小，材料越灵敏。第34页，共56页，编辑于2022年，星期一1-5受力模型在平面偏振光场（P1MP2）中的光弹性效应将一个平面受力模型（双折射片）置于平面偏振光场中，如图所示。现研究光波（单色光）通过此模型在P1MP2排列中的光弹性效应。第35页，共56页，编辑于2022年，星期一入射光矢

10、量E将通过三个光学器件；偏振片P1，模型双折射片M和分析片P2。按照式 光波通过之后的光矢量E为入射矢量E与三个光学器件的琼斯矩阵的乘积。P1，M，P2的琼斯矩阵各以JP1，JPM 和 JPM 表示，则得 E=将各光学元件的琼斯矩阵及入射光矢量按序代入，即得下式E=式中 为模型内主应力方向与P1，P2偏振轴的夹角，为模型双折射片产生的滞后量。第36页，共56页，编辑于2022年，星期一光波的光强为：（1-9）第37页，共56页，编辑于2022年，星期一上式光强为零，即屏幕上呈暗条纹的条件。讨论下列两种情况：一、sin/2=0，则I=0即=2n，相对光程差n=0，1，2时，幕上呈现黑色相对光程差

11、n=1/2，3/2，5/2 时，幕上呈现亮色就是等差线等差线表示主应力值相等的线二，sin2=0，则I=0 即：=00 或者900，这是主应力方向与P1，P2的偏振轴一致，幕上也呈现黑色，这类黑线称为主应力方向线，它表示主应力倾角相同的线，故称等倾线。模型以P1的偏振轴作为起点，所出现的黑线称为零度等倾线。同步反时针旋转P1和P2，即使两者的偏振轴一直保持正交，一次旋转5度，10度，得到等倾线参数。第38页，共56页，编辑于2022年，星期一总结两种黑线：总结两种黑线：等差线：随主应力差而改变，与荷载增减有关，与正交放置的偏振轴无关。等倾线：与两正交放置的偏振轴的方位有关，而与荷载的大小无关。

12、如果用单色光，形成明暗相间的黑白条纹。如果用白光，则形成一固定的彩色条纹顺序，故这种等差线也称为等色线，同一颜色表示主应力差值相等，只有零级等色线仍呈黑色。总结：总结：为了获得清晰的等差线，需增加两块1/4波片，形成圆偏振光场，以消除等倾线。观察等倾线，则用白光，此时等差线是彩色的，等倾线是黑色的。第39页，共56页，编辑于2022年，星期一1-6受力模型在圆偏振光场（P1Q1MQ2P2）中的光弹性效应圆偏振光场的光学器件顺序及方位如图所示第40页，共56页，编辑于2022年，星期一 光矢量通过光学器件的琼斯矩阵分别用JP1，JQ1，JM，JP2，JQ2表示。通过各光学器件后，光矢量E为各光学

13、器件的琼斯矩阵与入射光E的乘积。按式 得第41页，共56页，编辑于2022年，星期一 故这束光的光强位：上式不再包含主应力方向的成分，只有由模型中两波的位相差能引起的等差线条纹。第42页，共56页，编辑于2022年，星期一1-7等差线及其应用 等差线图是光弹性实验中重要的资料之一，暗场黑色条纹为整数级以实线来表示，明场黑色条纹为半数级以虚线表示。等差线图照片第43页，共56页，编辑于2022年，星期一等色线特性点 钉压法第44页，共56页，编辑于2022年，星期一徒手描绘第45页，共56页，编辑于2022年，星期一圆环等色线图第46页，共56页，编辑于2022年，星期一二、确定材料条纹值 圆盘

14、条纹图根据弹性力学已知，圆盘中心处的应力为 代入到第47页，共56页，编辑于2022年，星期一材料条纹值测定第48页，共56页，编辑于2022年，星期一也可以用纯弯曲求出条纹值 纯弯曲梁第49页，共56页，编辑于2022年，星期一1-8等倾线及主应力迹线一、等倾线 描绘等倾线时，以偏振片的偏振轴为垂直和分析片的偏振轴为水平作为起点，反时针同步旋转P1和P2，每10度或5度绘一次，绘出的等倾线即表明度数。这样将模型内所有等倾线都描绘在一张图上，即成等倾线图。第50页，共56页，编辑于2022年，星期一等倾线第51页，共56页，编辑于2022年，星期一1.等倾线与自由边界 在自由边界上的各点只有一

15、个主应力，其方向与边界相切。故于自由边界相交的等倾线，其倾角参数是已知的，即为过交点的切线（或其法线）与x轴的夹角。第52页，共56页，编辑于2022年，星期一2.等倾线与对称轴 当模型几何形状和荷载都对某一轴对称时，应力分布也对称与这个轴的。这时沿模型的对称轴上没有剪应力，即对称轴为主应力方向之一，所以对称轴也是一条等倾线。如图中的AB和CD即为等倾线。第53页，共56页，编辑于2022年，星期一3.等倾线各向同性点当模型内某点的主应力1=2时，即零级条纹点。此时通过该点的任何方向都可作为主应力方向，所以称为各向同性点。各向同性点二.主应力迹线主应力迹线是代表主应力方向的曲线族，在这些曲线上每一点的切线与法线方向即为该点的两个主应力方向。第54页，共56页，编辑于2022年，星期一等倾线图第55页，共56页，编辑于2022年，星期一 有了等倾线图，即可通过作图法将主应力迹线描绘出来。主应力迹线具有以下几点特征：1.两族主应力迹线必处处正交。2.无各向同性点的自由边界和无各向同性点的对称轴，其本身就是一条主应力迹线。3.在各向同性点处，两族正交的主应力是闭合的，并且将各向同性点包围在其中，在无各向同性点处两族正交的主应力迹线是不闭合的。第56页，共56页，编辑于2022年，星期一