1、第十四章 全息光彈性法,第一節(jié) 概 述,自從六十年代初激光器問世以后，便為科學(xué)技術(shù)等部門提供一種高單色性、高方向性、高強(qiáng)度、高相干性的優(yōu)良光源。由于激光光源的出現(xiàn)使全息照相技術(shù)的實(shí)踐和理論研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，獲得了迅速發(fā)展。同時(shí)，全息照相術(shù)在力學(xué)測(cè)試中也得到廣泛的應(yīng)用。全息干涉術(shù)與光彈性的結(jié)合逐步形成了全息光彈性法。,第十四章 全息光彈性法,第一節(jié) 概 述,在全息光彈性法的發(fā)展過程小，六十年代后期，福納等首先獲得等和線與等差線相互調(diào)制的組合條紋圖，霍范辛、培爾雪克、鮑威爾等在理論上進(jìn)行了分析，導(dǎo)出了兩次曝光全息光彈性的光強(qiáng)表達(dá)式，奧里根、杜德爾、霍洛維對(duì)等和線、等差線進(jìn)行了分離工作。,現(xiàn)在

2、，全息光彈性法用于解決平面問題，在理論上和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都已比較成熟，在工程實(shí)際中得到了較為廣泛的應(yīng)用。,第二節(jié) 全息照相的基本概念,全息照相是利用光的干涉和衍射現(xiàn)像，將物體光波波前的振幅和位相，以干涉條紋的形式同時(shí)記錄在全息底片上，并在一定的條件下使物體光波再現(xiàn)形成十分逼真的三維立體像的一種新型照相技術(shù)。,波前記錄是將物體射出的物光波與另一束稱為參考光波在全息干板上進(jìn)行干涉，用照相方法將物光波的信息以干涉條紋記錄下來，稱為全息圖。波前再現(xiàn)是用一與參考光波相類似的光波照射全息圖，光通過全息圖的衍射如光柵衍射一樣，衍射光波與物體光波相似，構(gòu)成物體的再現(xiàn)像。,全息照相的過程是兩步成像法：第一步是波前記

3、錄，第二步是波前再現(xiàn)。,波前記錄的光路如圖所示。將激光器輸出的光束用分光鏡分為兩束，一束經(jīng)全反鏡反射，直接到全息干板上作參考光R。另一束經(jīng)全反鏡反射到物體上，再經(jīng)物體的慢反射作為物光O射到全息干板上，因?yàn)閰⒖脊夂臀锕馐窍喔晒?，所以在全息干板上進(jìn)行干涉，即形成一種干涉條紋。全息干板經(jīng)曝光、顯影和定影處理后，就將物光波前的全部信息 (振幅和位相)記錄下來,1激光器,6全息干板,3全反鏡,4擴(kuò)束鏡,5物體,2分光鏡,有了全息圖后，欲得到物體再現(xiàn)像，可把全息干板復(fù)位，再用原參考光照射，當(dāng)光波照射全息圖時(shí)，就產(chǎn)生衍射現(xiàn)像，當(dāng)迎著衍射的方向觀察時(shí)就能在原物體位置上，看到原物體的虛像，如圖所示。,6全息干板

4、,7原物虛像,8原物實(shí)像,全息照相所記錄的干涉條紋，其間距d下式表示,式中光波波長(zhǎng)：物光與參考光的夾角。,該式表示光波波長(zhǎng)一定時(shí)，干涉條紋間距d與兩光束夾角的半角的正弦成反比，夾角越大，干涉條紋越密。,全息照相和普通照相比較具有許多特點(diǎn)：立體成像普通照相得到的是平面像，全息照相再現(xiàn)是立體像，斑點(diǎn)成像普通照相物與底片間的點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，全息照相，物與底片間是點(diǎn)面對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以全息圖的每小塊都能再則原物體像，重疊成像普通照相在底片上只能拍攝一個(gè)物體像，全息照相一張底片可重迭記錄多個(gè)物體像，再現(xiàn)時(shí)可互不影響。,第三節(jié) 全息光彈性實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù),1激光器,11全息干板,4全反鏡,5擴(kuò)束鏡,10受力模

5、型,3分光鏡,2快門,6準(zhǔn)直鏡,7偏振片,81/4片波,9毛玻璃,第四節(jié) 全息光彈性的基本原理,全息光彈性的特點(diǎn)是不僅可以獲得等差線，更重要的是可以得到等和線。因此要獲得等和線需用兩次曝光法。當(dāng)用圓偏振光時(shí)，則再現(xiàn)像的光強(qiáng)分布為,式中,而,t1，t2分別為二次曝光的時(shí)間，,d， d 分別為受力前后模型的厚度，,N表示模型周圍介質(zhì)的折射率，,N0表示模型材料的折射率，,N1 ，N2受力模型兩主應(yīng)力方向上材料的折射率。,此外，還有關(guān)系式,則當(dāng)兩次曝光肘間相等時(shí)，即t1t2 t 可得下式,從上式光強(qiáng)可看出，再現(xiàn)像光強(qiáng)分布取決于主應(yīng)力和(1+2) 與主應(yīng)力差(1-2)值，等值的(1+2)線稱等和線，等

6、值的(1-2 )線就是等差線,式中,現(xiàn)設(shè)等和線的條紋級(jí)數(shù)為np，等差線條紋級(jí)數(shù)為n ，則,令,故,是等和線的材料條紋值，,式中,又令,故,是等差線的材料條紋值，,式中,故,從上式光強(qiáng)可以看出，因偏振場(chǎng)兩次曝光的結(jié)果，得到的是等和線與等差線互相調(diào)制的組合條紋。由于等和線與等差線同時(shí)出現(xiàn)，互相影響，不便于計(jì)算分析，還必須研究這兩組條紋的分離方法。,第五節(jié) 等和線與等差線的分離,采用兩種材料做模型來分離條紋，是一種比較方便的方法。如由光學(xué)不靈敏材料有機(jī)玻璃做模型，經(jīng)兩次曝光獲得等和線如圖93所示。由光學(xué)靈敏材料環(huán)氧樹脂做模型，一次曝光得到等差線，如圖94所示。這樣。就可方便地求得主應(yīng)力1、 2的值。

7、,一、兩個(gè)模型法,由上式，當(dāng)模型材料為有機(jī)玻璃時(shí)，因其材料光學(xué)常數(shù)A=B，即C=0 ，故上式變?yōu)?由上式可以看，光強(qiáng)僅由(1+2)決定，等差線不存在，故可得等和線。當(dāng)nP為0，+1， + 2的，光強(qiáng)I=16t2，相應(yīng)于亮條紋。 nP為+1/2， +3/2，+ 5/2 則，光強(qiáng)I=0，相應(yīng)于暗條紋，即等和線圖上的黑色條紋是半級(jí)次條紋。,上式中n為整數(shù)級(jí)次時(shí)，I=4t2，亮條紋。 n為半數(shù)級(jí)條紋I=o，暗條紋，即等差線圖上的黑色條紋為半級(jí)次條紋，相當(dāng)于透射式光彈性中的明場(chǎng)條紋。,由上式知，當(dāng)用環(huán)氧樹脂模型加載時(shí)，一次曝光，即t1=0時(shí)，可得,采用石英旋光器可以分離條紋，所用光路如圖9-5所示。石英旋光器是厚度為4.813mm的石英片，其厚度方向與光鈾平行，偏振光通過時(shí)能使其振動(dòng)平面旋轉(zhuǎn)900。這樣，就可以消除等差線條紋單獨(dú)獲得等和線條紋。,二、石英旋光器法,1激光器,11石英旋光器,4分光鏡,5擴(kuò)束鏡,10受力模型,3全反鏡,2快門,6準(zhǔn)直鏡,7偏振片,81/4波片,9半透反鏡,12全息干板,從上述可知，物光兩次通過受力模型，當(dāng)?shù)诙谓?jīng)過受力模型時(shí)，由于石英旋光器的作用，使第一次經(jīng)過模型后而產(chǎn)生的橢圓偏振光旋轉(zhuǎn)900，故第二次通過模型后又變成圓偏振光，即反映主應(yīng)力差的相位差抵消了，因而消除了等差線。,石英旋光器法分離條紋時(shí)，采