[科普中国]-应力双折射

定义

光学材料在机械应力作用下，由于光弹性效应会发生应力双折射。光线穿过双折射材料时，就会经历两次折射或者双折射(birefringence)。这个现象可以通过图所示的玻璃板在承受单向应力时的例子来说明。外加应力在板平面内和应力平行、垂直的两个方向上都修改了玻璃的折射率。如果在外部机械载荷影响下，透镜元件内的应力变化分布呈现广义三向应力状态，那么光学属性就变得各向异性和不均匀，由此就会使光学系统产生波前差或偏振误差。1

举例在许多类型的光学系统中．包括光学平版印刷、数据存储、高能激光、LCD投影仪以及远程通信等，应力双折射都是一个需要解决的问题。对这些类型的光学系统，集成建模技术有助于在设计研究中把光学性能作为玻璃类型以及装配方法的函数。下图以通信信号分离器为例说明了应力双折射的影响。图形左边描述了光线穿过有无应力状态透镜元件有限元模型的情形；图形右边给出了偏振的光瞳地图，它揭示了应力场是如何把光瞳边缘附近的点由入射的线性偏振光线转化为圆形偏振光线的。1

光学材料的应力双折射理想的光学玻璃是各向同性的，但在退火过程中由于玻璃内外温度不一致，或者退火炉内各处温度不一致等都会产生内应力。光学玻璃内应力的存在，破坏了各向同性，产生双折射现象，即当一束光线通过有内应力的玻璃时，将产生传播速度不同的两束光线，分别称为寻常光线和非常光线。

光学材料中由于残余应力的存在而引入的双折射现象称为应力双折射，应力双折射用单位长度上的光程差 来度量。

根据国家标准，玻璃的应力双折射标准有玻璃中部的和玻璃边缘的两种。前者以玻璃块最长边中部单位长度上的光程差 表示；后者以距玻璃边缘为5%的直径或边长处各点中最大的单位厚度上的光程差表示。并且要求光束垂直试样表面入射。中部和边缘的测量点与光束入射方向如图中的A、B点和I、Ⅱ方向（I一测中部应力的光束方向；Ⅱ一测边缘应力的光束方向）。

根据玻璃退火后的应力分布规律，上述中部和边缘的各测量点一般都只有一个主应力，并且应力方向平行于玻璃表面，所以测量光束要垂直于表面入射，图1中的I、Ⅱ方向。若用或来衡量玻璃退火后的质量，则退火后的玻璃毛坯只允许表面研磨或抛光，不允许切割，因为切割后应力分布规律和应力的大小都将改变。2

应用利用应力双折射研究应力分布的仪器称为光测弹性仪，这种方法目前已发展成为一门专门的学科。称为光测弹性学，它广泛应用于材料力学的测量中。对机械结构中一些形状复杂的部件。承受不同负荷时的应力分布是很复杂的。我们可以用透明材料制成相应的模型，并按实际使用时的受力情况对模型施以机械力，利用偏振光干涉装置，就可分析应力分布。利用全息光测弹性技术，可观察和分析样品的乏维应力分布。3