光测法1-概述及光学基础

光测法力学系陈建中[e-mail]大纲n概述n光学基础知识n光弹性原理n平面光弹性n光弹性材料n三向光弹性n光弹性贴片法n光弹性散光法n云纹法n全息干涉法n散斑干涉法n云纹干涉法n焦散线法参考书目n计欣华，邓宗白，鲁阳等。工程实验力学（第二版）。北京：机械工业出版社，2010。n戴福隆，沈观林，谢惠民。实验力学。北京：清华大学出版社，2010。n佟景伟，李鸿琦。光力学原理及测试技术。北京：科学出版社，2009。n王开福，高明慧，周克印。现代光测力学技术。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009。n盖秉政。实验力学。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006。n云大真，于万明著。结构分析光测力学。大连：大连理工大学出版社，1996。n赵清澄。光测力学教程。北京：高等教育出版社，1996。n阮孟光。光测力学。北京：北京航空航天大学出版社，1995。n戴福隆等。现代光测力学。北京：科学出版社，1990。n金观昌。计算机辅助光学测量。北京：清华大学出版社，2007。n天津大学材料力学教研室光弹组。光弹性原理及测试技术。北京：科学出版社，1980。nFrochtMM.Photoelasticity(Ⅰ).NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.,1941。nFrochtMM.Photoelasticity(Ⅱ).NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.,1948。1、概述n什么是光测法n光测法是如何发展的n光测法有何特点n有哪些光测方法及其应用1.1光测法概念n光测法（光测力学Photomechanics）是应用光学的基本原理，结合力学的理论，通过数学工具的推演，以实验为手段去研究结构物中的位移、应变和应力等力学量的一门学科。1.2发展历史经典的光测弹性力学现代光测力学计算机辅助光学测量1.3主要特点（1）全场测量。（2）直观性强。（3）模型形状可以是任意的。（4）可以进行无损检测。（5）可以进行三维应力分析。（6）高灵敏度。（7）适用范围广。“光测：大视场实时动态测量显优势”——访中国科学院院士、国防科技大学博士生导师于起峰记者：与传统测量手段相比，光学图像测量具有哪些特点优势？于起峰：概括起来主要有以下几点：一是高精度，如用干涉条纹图像测量，精度可达光波波长级，不到头发丝直径的两百分之一；二是非接触，它通过分析目标图像进行测量，不会对目标的结构特性和运动特性带来任何干扰；三是大视场，就是测量视野大，覆盖范围广；四是适合实时动态测量，它能实时监测监控运动目标，获得运动参数，还能为各种飞行器、车辆提供视觉导航。以上优势是传统测量手段无法比拟的。1.4光测主要方法及应用光测法光弹云纹全息散斑光弹性贴片法：photoelasticcoatingmethod数字图像相关方法(DigitalImageCorrelation)刘小勇.数字图像相关方法及其在材料力学性能测试中的应用[D].吉林大学:2012年2、光学基础知识n什么是光n光的干涉n光的反射和折射n光的偏振n光的双折射2.1光的概念n光具有波粒二象性。在光测法中所遇到的光学现象，一般可用光的波动性进行解释。n光是一种电磁波，是电磁场中电场强度矢量与磁感应强度矢量周期性变化在空间的传播。光波中产生感光作用的是电场振动，光力学中只考虑电场振动。把电场振动称为光振动，电场矢量称为光矢量。n光波是一种横波，光矢量的振动方向与它的传播方向垂直。光矢量按简谐振动规律进行振动。2cos()xEAtpwjl=+-2IKA=波动方程光强n光波是一定波长范围内的电磁波，其中能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光。n白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种可见光的混合，单色光是指只有一种波长或频率的光。光弹试验常用光源有白光、汞光和钠光等，汞光加绿色滤色片可获得546.1nm的单色绿光，钠光是589.3nm的单色黄光。2.2光的干涉n当几列光波在空间传播时，它们都将保持原有的特性（独立传播原理）；在它们交叠的区域内各点的光振动是各列光波单独存在时在该点所引起的光振动的矢量和（叠加原理）。n在几列光波交叠区域的某些位置上，振动始终加强；而在另一些位置上，振动始终减弱或抵消，这种现象称为光的干涉。能产生干涉现象的光叫相干光。n光的相干条件n频率相同；n振动方向相同；n具有恒定的相位差。1111cos()EAtkxwj=+-2222cos()EAtkxwj=+-cos()EAtwj=+()()22121221=2cos21AAAAAkx-xjj++--()()()()112211122sinsin=tancoscos1212A-kxAkxA-kxAkxjjjjj-+-+-2.3光的反射和折射n折射率n光程n相位变化nl＝ddlplplpj222===Δnllncnv＝2.4光的偏振n偏振是指振动方向对于传播方向的不对称性。n在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量可以有各种不同的振动状态，称为光的偏振态。n光的偏振态可分为五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。平面偏振光自然光部分偏振光xyF1A2Ao椭圆偏振光xyF1A2Ao圆偏振光1122cos()cos()xyEatEatwawa=+⎫⎬=+⎭)(sin)cos(21221221212222212aaaa-=--+aaEEaEaExn1）该方程最一般的形式为椭圆轨迹；n2）当a1=a2，且α1-α2=π/2时，该方程退化为圆的轨迹；n3）当α1-α2=0或±π时，该方程退化为直线的轨迹。n使自然光变成偏振光的光学元件为偏振片，使光横向振动通过的方向为偏振轴。n当光矢量通过两个偏振方向一致的偏振片时，光强最大，称为明场；当光矢量通过两个偏振方向正交的偏振片时，光完全被遮挡，称为暗场。偏振片PA偏振片偏振片PA偏振片2.5光的双折射n各向同性介质，折射光只有一束。n一束光入射到各向异性物质中折射光分解为两束光的现象称为光的双折射(Birefringent)。两束折射光都是平面偏振光，在互相垂直的平面内振动，传播速度不同，一束遵循折射定律，称为o光，另一束不遵循折射定律，称为e光。oeeon各向异性透明晶体如方解石、石英等的双折射，是其固有的特性，称为永久双折射。n有些各向同性的非晶体材料，如环氧树脂、有机玻璃、聚碳酸酯等，虽然在自然状态下不会产生双折射，但当其受到载荷作用时，就会呈现光学各向异性，产生双折射现象，使一束垂直入射偏振光沿材料中的两主应力方向分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束光；卸载后，又恢复光学各向同性。这种现象称为暂时双折射或人工双折射。n晶体有一特定的方向不发生双折射现象，即当一束光沿此方向射入晶体时，射出的仍为一束光，此方向称为晶体的光轴。n当光垂直光轴入射时，两束光的传播方向相同，但振动方向相互垂直，o光垂直光轴，e光平行光轴，它们在晶体内的传播速度不同，速度快的振动方向称为快轴，速度慢的振动方向称为慢轴。n以晶体中平行于光轴方向切取的薄片称为波片。取适当厚度，使产生的光程差为入射光波波长1/4的波片，称为1/4波片。()oeRnnd=-R光轴dn根据1/4玻片的特点可知，当一束平面偏振光通过1/4玻片且其偏振方向与1/4玻片的快慢轴成45°时，出射光为两束互相垂直的、振幅相等、相位差为π/2的线偏振光，这两束线偏振光合成后即为圆偏振光。圆偏振光0002cos45cos()2FEEAtkxwj==+-合成为22202()()()2FSEEA′′+=即通过1/4波片后光的轨迹为圆，是圆偏振光。偏振片P慢轴S光轴快轴F¼玻片Q00cos()EAtkxwj=+-0002cos45cos()2SEEAtkxwj==+-EPESEF45°02cos()2FEAtkxwj′=+-002cos(/2)22sin()2SEAtkxAtkxwjpwj′=+--=+-