第14章全息光弹性法.ppt

理论力学 p.* 理论力学 第十四章 全息光弹性法 第一节 概 述 自从六十年代初激光器问世以后，便为科学技术等部门提供一种高单色性、高方向性、高强度、高相干性的优良光源。由于激光光源的出现使全息照相技术的实践和理论研究进入了一个新的阶段，获得了迅速发展。同时，全息照相术在力学测试中也得到广泛的应用。全息干涉术与光弹性的结合逐步形成了全息光弹性法。 第十四章 全息光弹性法 第一节 概 述 在全息光弹性法的发展过程小，六十年代后期，福纳等首先获得等和线与等差线相互调制的组合条纹图，霍范辛、培尔雪克、鲍威尔等在理论上进行了分析，导出了两次曝光全息光弹性的光强表达式，奥里根、杜德尔、霍洛维对等和线、等差线进行了分离工作。 现在，全息光弹性法用于解决平面问题，在理论上和实验技术上都已比较成熟，在工程实际中得到了较为广泛的应用。 第二节 全息照相的基本概念 全息照相是利用光的干涉和衍射现像，将物体光波波前的振幅和位相，以干涉条纹的形式同时记录在全息底片上，并在一定的条件下使物体光波再现形成十分逼真的三维立体像的一种新型照相技术。 波前记录是将物体射出的物光波与另一束称为参考光波在全息干板上进行干涉，用照相方法将物光波的信息以干涉条纹记录下来，称为全息图。波前再现是用一与参考光波相类似的光波照射全息图，光通过全息图的衍射如光栅衍射一样，衍射光波与物体光波相似，构成物体的再现像。 全息照相的过程是两步成像法：第一步是波前记录，第二步是波前再现。 波前记录的光路如图所示。将激光器输出的光束用分光镜分为两束，一束经全反镜反射，直接到全息干板上作参考光R。另一束经全反镜反射到物体上，再经物体的慢反射作为物光O射到全息干板上，因为参考光和物光是相干光，所以在全息干板上进行干涉，即形成一种干涉条纹。全息干板经曝光、显影和定影处理后，就将物光波前的全部信息 (振幅和位相)记录下来 1激光器 6全息干板 3全反镜 4扩束镜 5物体 2分光镜 有了全息图后，欲得到物体再现像，可把全息干板复位，再用原参考光照射，当光波照射全息图时，就产生衍射现像，当迎着衍射的方向观察时就能在原物体位置上，看到原物体的虚像，如图所示。 6全息干板 7原物虚像 8原物实像 全息照相所记录的干涉条纹，其间距d下式表示 式中λ——光波波长：φ——物光与参考光的夹角。 该式表示光波波长一定时，干涉条纹间距d与两光束夹角的半角的正弦成反比，夹角越大，干涉条纹越密。 全息照相和普通照相比较具有许多特点：立体成像——普通照相得到的是平面像，全息照相再现是立体像，斑点成像——普通照相物与底片间的点是一一对应关系，全息照相，物与底片间是点面对应关系，所以全息图的每小块都能再则原物体像，重叠成像——普通照相在底片上只能拍摄一个物体像，全息照相一张底片可重迭记录多个物体像，再现时可互不影响。 第三节 全息光弹性实验设备和技术 1激光器 11全息干板 4全反镜 5扩束镜 10受力模型 3分光镜 2快门 6准直镜 7偏振片 81/4片波 9毛玻璃 第四节 全息光弹性的基本原理 全息光弹性的特点是不仅可以获得等差线，更重要的是可以得到等和线。因此要获得等和线需用两次曝光法。当用圆偏振光时，则再现像的光强分布为 式中 而 t1，t2分别为二次曝光的时间， d， d’ 分别为受力前后模型的厚度， N表示模型周围介质的折射率， N0表示模型材料的折射率， N1 ，N2受力模型两主应力方向上材料的折射率。 此外，还有关系式 则当两次曝光肘间相等时，即t1＝t2＝ t 可得下式 从上式光强可看出，再现像光强分布取决于主应力和(σ1+σ2) 与主应力差(σ1-σ2)值，等值的(σ1+σ2)线称等和线，等值的(σ1-σ2 )线就是等差线 式中 现设等和线的条纹级数为np，等差线条纹级数为nσ ，则 令 故 是等和线的材料条纹值， 式中 又令 故 是等差线的材料条纹值， 式中 故 从上式光强可以看出，因偏振场两次曝光的结果，得到的是等和线与等差线互相调制的组合条纹。由于等和线与等差线同时出现，互相影响，不便于计算分析，还必须研究这两组条纹的分离方法。 第五节 等和线与等差线的分离 采用两种材料做模型来分离条纹，是一种比较方便的方法。如由光学不灵敏材料有机玻璃做模型，经两次曝光获得等和线如图9—3所示。由光学灵敏材料环氧树脂做模型，一次曝光得到等差线，如图9—4所示。这样。就可方便地求得主应力σ1、 σ2的值。 一、两个模型法 由上式，当模型材料为有机玻璃时，因其材料光学常数A=B，即C=0 ，故上式变为 由上式可以看，光强仅由(σ1+σ2)决定，等差线不存在，故可得等和线。当nP为0，+1，