應力雙折射

應力雙折射又稱光彈性效應。透明的各向同性的介質在壓力或張力的作用下，折射率特性會發生改變，從而顯示出光學上的各向異性。若介質本來就是各向異性晶體，則外力作用會使它產生一個附加的雙折射。塞貝克在1813年和布儒斯特在1816年最早研究這一現象。對物體旅以壓力或張力，它就顯示出負單軸晶體或正單軸晶體的特性，有效光軸在應力方向上，並且所引起的雙折射與應力成正比。若應力在晶體上是不均勻的，在各處的雙折射就不一致，使通過它的光波上不同點產生不同的位相差。利用應力雙折射效應，可以檢驗光學材料的內應力，觀察各種力學結構的應力分布。

基本介紹

• 中文名：應力雙折射
• 外文名：stress birefringence
• 性質：雙折射
• 名稱縮寫：SBR
• 領域：物理光學
• 又稱：光彈性效應
• 應力：機械應力，熱應力

定義

光學材料在機械應力作用下，由於光彈性效應會發生應力雙折射。光線穿過雙折射材料時，就會經歷兩次折射或者雙折射(birefringence)。這個現象可以通過圖所示的玻璃板在承受單向應力時的例子來說明。外加應力在板平面內和應力平行、垂直的兩個方向上都修改了玻璃的折射率。如果在外部機械載荷影響下，透鏡元件內的應力變化分布呈現廣義三向應力狀態，那么光學屬性就變得各向異性和不均勻，由此就會使光學系統產生波前差或偏振誤差。

機械應力修改了透射材料的折射率

舉例

在許多類型的光學系統中．包括光學平版印刷、數據存儲、高能雷射、LCD投影儀以及遠程通信等，應力雙折射都是一個需要解決的問題。對這些類型的光學系統，集成建模技術有助於在設計研究中把光學性能作為玻璃類型以及裝配方法的函式。下圖以通信信號分離器為例說明了應力雙折射的影響。圖形左邊描述了光線穿過有無應力狀態透鏡元件有限元模型的情形；圖形右邊給出了偏振的光瞳地圖，它揭示了應力場是如何把光瞳邊緣附近的點由入射的線性偏振光線轉化為圓形偏振光線的。

表示應力對WDM信號分離器偏振狀態影響的偏振光瞳地圖

光學材料的應力雙折射

理想的光學玻璃是各向同性的，但在退火過程中由於玻璃內外溫度不一致，或者退火爐內各處溫度不一致等都會產生內應力。光學玻璃內應力的存在，破壞了各向同性，產生雙折射現象，即當一束光線通過有內應力的玻璃時，將產生傳播速度不同的兩束光線，分別稱為尋常光線和非常光線。

光學材料中由於殘餘應力的存在而引入的雙折射現象稱為應力雙折射，應力雙折射用單位長度上的光程差 來度量。

根據國家標準，玻璃的應力雙折射標準有玻璃中部的和玻璃邊緣的兩種。前者以玻璃塊最長邊中部單位長度上的光程差 表示；後者以距玻璃邊緣為5%的直徑或邊長處各點中最大的單位厚度上的光程差表示。並且要求光束垂直試樣表面入射。中部和邊緣的測量點與光束入射方向如圖中的A、B點和I、Ⅱ方向（I一測中部應力的光束方向；Ⅱ一測邊緣應力的光束方向）。

圓玻璃板中應力雙折射的測量方向

根據玻璃退火後的應力分布規律，上述中部和邊緣的各測量點一般都只有一個主應力，並且應力方向平行於玻璃表面，所以測量光束要垂直於表面入射，圖1中的I、Ⅱ方向。若用或來衡量玻璃退火後的質量，則退火後的玻璃毛坯只允許表面研磨或拋光，不允許切割，因為切割後應力分布規律和應力的大小都將改變。

套用

利用應力雙折射研究應力分布的儀器稱為光測彈性儀，這種方法已發展成為一門專門的學科。稱為光測彈性學，它廣泛套用於材料力學的測量中。對機械結構中一些形狀複雜的部件。承受不同負荷時的應力分布是很複雜的。我們可以用透明材料製成相應的模型，並按實際使用時的受力情況對模型施以機械力，利用偏振光干涉裝置，就可分析應力分布。利用全息光測彈性技術，可觀察和分析樣品的乏維應力分布。