L-W型多功能偏光测试演示仪

本实用新型是一种多功能偏光测量及光学特性实验演示之仪器。

本实用新型是考虑到目前在力学测量中，缺少小型、廉价的光弹仪；并且在大学物理实验中，没有演示偏振光诸特性的综合仪器而进行设计的。查阅美国、英国、联邦德国、台湾及国内北大、复旦、南京大学、中央电大等有关资料均未见类似仪器。

本实用新型的主要目的在于提供一种经济小型的应力测量仪器。

本实用新型的另一目的在于提供一种综合性的多功能偏光演示仪，以降低实验成本、减少教师的重复劳动。

本实用新型之其他目的和特点，由如下参照附图的详细说明中即可获明了。

本实用新型（见附图1）是在一方型导杆（1）上装置两个圆型镜架（a）（b）。镜架由支撑架（2）和转动框（3）组成。支撑架上有0°－360°刻度，其整体可沿导杆滑动，通过镜架上之紧固螺钉（4）使其固定。偏振镜（5）和1／4波片（6）装于转动框上。该框可在镜架上绕平行于导杆之光轴旋转。上述带有诸装置之导杆垂直置于一光源 箱（7）上。导杆与光源箱采用插接，由紧固螺钉（8）固定。光源箱体为不透光材料制造，其中设置两支平行排列、水平安装的3瓦日光灯为光源。灯管管脚由带紧固螺钉之压板固定。箱体上表面为毛玻璃，另外有一可置于光源箱上之多用加载架（9）。加载架由方型框架、加载螺杆等组成。

使用该加载架，配以不同的配件，可以实现拉、压和弯曲等加载形式。使用标准件的环氧树脂（也可用其他经标准光弹仪上标定的人工双折射材料）圆盘时，可以对施加压力的载荷进行定量分析。

用其进行应力测量时，接通电源（220V，AC）可在光源箱上获得一均匀漫反射光场。将加载架置于（a）（b）之间，并施加一定载荷，光线通过（a）时，得到圆偏振光场，再通过受力模型，并通过（b）观察，就可以看到双折射模型上代表主应力差的干涉条纹。光路安排见图2。（1）光源    （2）（6）偏振片    （3）（5）1／4波片    （4）模型

使用该仪器的一部或全部，并配以其他附件可进行：

1.测量受力物体中主应力方向

2.决定应力集中系数

3.计算物体内部点的应力

4.测定物体受力应变

等四种力学量的测定，及

1.光波是横波的演示

2.验证布儒斯特定律

3.观察双折射起偏现象

4.散射产生偏振

5.圆偏振光和椭圆偏振光

6.旋转偏振

7.显偏振

8.会聚偏振光的干涉

9.光弹实验演示

10.法拉第效应的观察

11.克尔效应的观察

12.石英的光学特性

等十二种物理实验演示。

我们之所以研制此仪器，是因为：

1.实验力学作为一门结合力学、光学、物理学和计算机科学为一体的新型交叉科学，近年来发展很快，已成为固体力学的一个分支，是解决工程问题、生物力学问题的一个有力手段。由于实验力学是一门新型学科，所以在一般院校非力学专业的课程中，实验条件不完备，往往只能由教师口授，无法做实验，其原因是缺少相应的实验设备。

偏振光弹仪是用于实验应力分析的主要仪器之一，国内外都有产 品。但由于光场大，对偏振片、1／4波片、准直镜等的质量要求较高，价格昂贵，使用复杂，必须经过一定的专业训练，所以只能为一些专业实验室应用。

2.现在的大学物理实验中，均采用分离元件，拼凑光路，单一实验，单一光路，占有大量元件及装置，且需经常变换光路，成本高，调整麻烦，浪费时间。

本实用新型即为解决上述缺欠而设计，其原理与偏振光弹仪一致。由于缩小光场，减小了造价，而且保证了其多种用途。如测等倾线、等差线、应力集中、云纹等，且与各附件配合使用可进行十二种偏光物理实验演示。

本实用新型之导杆、镜架、转动框应采用具有足够强度之金属制作。光源箱则可采用金属、塑料或木材等其他材料制作。但与导杆接口处需采用硬质金属材料，起偏元件可采用偏振镜或偏振片，1／4波片为晶体材料，光源则采用一般日光灯即可。

利用本仪器进行的四种力学量测量及十二种物理实验演示如下述：

一.应力测量

1.决定受力物体中主应力方向

光路见图3。（1）光源    （2）（4）偏振片    （3）模型

自然光通过以上光学系统，在观察平面上的光强分布可表现为：

I＝2a²sin²2asin²φ （1）

式中a－照明光振幅

α－主应力方向与偏振片偏振轴所成角度

φ－由人工双折射引起的位相差

通过以上光路可在平面偏振光场中观察到黑条纹。当同步旋转偏振片（2）和（4）时，可以看到移动的黑条纹。从公式（1）可知，当黑条纹处点的主应力方向与偏振轴的方向一致时（α＝0°，90°），光强为零，出现黑条纹。因此从黑条纹可以判断受力模型内各点主应力方向。这在钢筋混凝土的布筋、机械零件的强度等工程问题中很重要。

2.决定应力集中系数

光路见图2（1）光源    （2）（6）偏振片

（3）（5）1／4波片    （4）模型

自然光通过以上光学统，其光强分布为

I＝2a²sin²φ／2 （2）

式中a－照明光振幅

φ－由于人工双折射而引起的位相差，φ与主应力σ₁和σ₂的关系为φ＝K（σ₁－σ₂）

K是与厚度、波长、材料有关的常数。

所以当φ＝2nπ时，I＝0，将出现干涉条纹。因而可通过干涉条纹的级次n来计算σ₁－σ₂之值。当机械零件中存在小孔、槽、缺口 或裂纹情况下，在受到载荷时，则局部产生应力集中现象。在圆偏振场中可看到比其他区域密集得多的干涉条纹。应力集中现象发生的边界上，σ₁和σ₂必有一个为零，从而可由条纹级次直接计算应力，与平均应力相比，即可得到应力集中系数。

3.计算物体内部点的应力

由图3所示的光路安排，可得到各点的等倾角度数，由图2所示的光路安排可得到各点的主应力差值和自由边界的应力值。可应用平衡方程式

进行积分，得到：

得到内部点的应力。

4.测定物体受力应变

光路见图4（1）光源    （2）试件

受力试件表面粘上受力光栅（和试件产生同样的变形），参考栅紧贴在试件上，这样当试件受力后，光线透过变形了的试件光栅和未变形的参考光栅后将产生明暗相间的条纹，称之为云纹。云纹条纹图 即为受力物体在垂直于栅线方向的等位移线，从物体的云纹图，可得到受力物体各点的应变。

式中的u.v可从实验观察到的云纹条纹级数得到，即：

u＝n.p

v＝m.p    （5）

式中n.m－云纹条纹级数

p－光栅常数

二.物理实验演示

1.横波演示

光路见附图5。（1）幻灯机或激光器    （2）（3）偏振片    （4）屏

通过转动偏振片至（2）／／（3）时，可得屏上光强最大，至（2）⊥（3）时，光强为零。

2.验证布儒斯特定律

光路见附图6。（1）幻灯机或激光器    （2）反射镜    （3）偏振片    （4）屏

使入射角为布氏角，转动偏振片，屏上光强有变化，最小为零。 改变入射角，屏上光强永不为零。

3.观察双折射现象

光路见图7。（1）激光器或幻灯机    （2）Nicol    （3）检偏器    （4）屏

旋转偏振片，屏上光点强度呈周期性变化。

4.散射产生偏振

光路见图8。（1）幻灯机或激光器    （2）起偏器    （3）装有微粒的管子    （4）检偏器    （5）屏

从前面观察管子，旋转（4），可见到屏上的光强在变化。这说明YZ平面是全偏，而YX、ZX两面是部分偏振光。

5.圆偏振光和椭圆偏振光

光路见图9。（1）幻灯机或激光器    （2）滤光片    （3）（6）偏振片    （4）（5）1／4波片    （7）屏

A.使（3）⊥（6）插入并旋转（4），使屏上光强为零，然后转（4）45°，转（6）则屏上光强不变。

B.在上述光路上插入（5），方位任意，出射为线偏。旋（6）屏上光强变化，有消光。

C.（3）⊥（6），（4）的方位为45°或90°，则出射为椭圆偏振，屏上光强变化，不消光。

D.利用上述光路还可观察λ／2的性质。

6.旋转偏振

光路见图10。（1）幻灯机或激光器    （2）滤片    （3）（6）偏振片    （4）半荫片    （5）盛溶液管    （7）屏

（5）中放入蔗糖前，使光场消光，并记下消光位置，然后注入蔗糖溶液，旋转（6）重新记下消光位置且记下△φ。

用稀酸把右旋的糖水解为左旋的糖，重新操作之。

7.显偏振

光路见图11。（1）幻灯机或激光器    （2）（4）偏振片    （3）晶片    （5）成象透镜    （6）屏

调节（5），使（3）在（6）上清晰成象，屏上为彩。（2）⊥（4）与（2）／／（4），屏上彩互补。撤掉（6），屏上图象无。

8.会聚偏振光的干涉

光路见图12。（1）光源    （2）光阑    （3）（6）偏振片    （4）聚光透镜    （5）晶片    （7）屏

使（3）⊥（6），可在屏上观察到彩图样。

9.光弹实验演示

光路见图13。（1）幻灯机    （2）（4）偏振片    （3）载物架    （5）透镜    （6）屏

使（2）⊥（4），对载物架上样品加一小应力，并使其在屏上清晰成象。可观察到彩干涉条纹及黑等倾线。由条纹密度可推测应 力分布。在试件两侧分加λ／4波片，可消黑条纹。

10.法拉第效应的观察

光路如图14。（1）光源    （2）起偏器    （3）检偏器    （4）玻璃杆    （5）螺线管

偏振面转角θ＝WlB

式中B－磁通密度

l－介质长度

W－费尔德常数

使（2）⊥（3）消光，加电压后旋（3）至消光，则（3）所转角度即θ。

11.克尔效应的观察

光路如图15。（1）望远镜    （2）检偏器    （3）λ／4波片    （4）克尔盒    （5）起偏器    （6）钠灯

将（4）放于（2）（5）之间，使（4）上的入射光偏振面与（4）电极缝隙间的电场线呈45°。

在（4）上加一定范围的电位差，可转动带刻度的（5），测量由（4）产生的偏振面旋转角。

使λ／4波片的轴与电场线呈45°角，则有δ／λ＝0lE²

式中C－克尔常数

l－克尔盒中电场的长度

E－克尔盒中电场的强度

360°δ／λ一以度计的转角θ

12.石英的光学性质

光路如图16。（1）分光计的平行光管    （2）检偏器    （3）石英    （4）起偏器    （5）透镜    （6）光源    （7）光阑

沿光轴方向观察偏振面的转动，沿⊥光轴的两个方向观察透射光中的相消干涉。