实验4-1 光弹性效应

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）。

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。

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。

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。

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。

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。