应力双折射的测量原理

应力双折射的测量原理

在透明材料（如玻璃、塑料、光学晶体等）中，当材料内部存在机械应力时，其折射率会随应力分布发生变化，从而产生**应力双折射（Stress Birefringence）**现象。这一现象会导致入射光在材料中分解为两束振动方向相互垂直、传播速度不同的偏振光，并在出射时形成相位差。通过对这一相位差的精确测量，即可反推出材料内部的应力状态。

1. 应力双折射的物理基础

在无应力状态下，各向同性透明材料对不同偏振方向的光具有相同的折射率；而当材料受到拉伸、压缩或剪切应力作用时，其内部结构发生微观变化，导致材料在不同方向上的折射率不再相等，从而表现出双折射特性。
折射率差与材料内部主应力差之间满足应力光学定律，即：

折射率差（或相位延迟）与主应力差成正比

这为应力的光学测量提供了理论基础。

2. 测量基本原理

应力双折射测量通常基于偏振光分析技术。系统主要包括光源、起偏器、被测样品、检偏器及成像或探测单元：

1. 光源发出的光经过起偏器，形成已知偏振态的偏振光；
2. 偏振光穿过受力的透明样品，在应力作用下分解为两束正交偏振光，并产生相位延迟；
3. 出射光经检偏器后，不同相位差对应不同的光强或干涉条纹分布；
4. 探测系统采集光强变化或相位信息，通过算法计算得到双折射量，进而反演材料内部的应力分布。

3. 测量结果与应力分析

通过定量分析获得的双折射值（如相位延迟、光程差或应力光学常数），可以实现：

• 材料内部残余应力的定量测量
• 应力集中区域的可视化分析
• 产品一致性与制造工艺质量评估

相比传统的接触式应力测试方法，应力双折射测量具有非接触、无损、高灵敏度和可视化等显著优势，特别适用于高精度光学元件、显示面板、透明塑料制品等领域。

4. 应用价值

基于应力双折射原理的测量技术，能够帮助企业在产品研发和生产过程中：

• 及时发现潜在的应力缺陷
• 优化加工与装配工艺
• 提升产品可靠性和光学性能

因此，应力双折射测量已成为透明材料应力检测与质量控制中不可或缺的重要手段。