Поляризационый метод исследование

Оглавление

1. Поляризация света

Поляризация света, одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). Поляризация света называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия. Впервые понятие о поляризации света было введено в оптику И. Ньютоном в 1704—06, хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678—90). Сам термин «Поляризация света.» предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля, Д. Араго, Д.Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит поляризация света.

 Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 1) в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу. В самом общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция — эллипс, что легко понять, учитывая постоянство разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е и одинаковость частоты их колебаний в монохроматической волне.

Рис. 1. Колебания проекций электрического вектора E световой волны.

Естественный  и поляризованный свет. Для наглядности световые колебания обычно уподобляют колебаниям нити, так как оба вида колебания являются поперечными. Каждая точка нити совершает колебание, перпендикулярное направлению распространения колебаний. Соседние точки в данный момент находятся в разных фазах: если одна точка максимально отклонена от оси, то соседняя точка несколько ближе к оси, какая-то точка — на оси, соседняя с ней —ниже оси и т. д. Вся картина в данный момент представляет собой синусоиду. В следующий момент эта синусоида сместится на определенное расстояние, зависящее от скорости колебания.

Рис.2. Изображение  световых колебаний

Каждая точка нити не сдвигается вдоль направления  движения, а только отклоняется в  направлении, перпендикулярном оси; скорость колебания данной точки меняется по особому закону — чем дальше от оптической оси, тем скорость меньше. Потом движение на мгновение прекращается, затем меняет направление. Колебание точки легко представить себе, предположив, что мы смотрим на точку вращающейся окружности, повернутой к нам в профиль. Точка вращается равномерно вместе с окружностью, но, так как мы смотрим на нее сбоку, нам кажется, что точка быстро проходит ось, а затем все медленнее поднимается, дойдя до верхнего положения, на мгновение’ останавливается, а затем начинает опускаться. Если на пути колеблющейся нити поставить щель, параллельную направлению колебаний, то она этих колебаний не задержит. Если же щель перпендикулярна направлению колебаний, то колебания погаснут, а за щелью нить будет неподвижная.

Очень похожие явления  происходят в поляризованном пучке света. Принципиальное различие только в том, что если в нити колебательные движения совершаются самими ее точками, то в световой волне происходят колебания магнитного и электрического полей. Если на пути поляризованных пучков света поставить какое-либо устройство или прибор, которое, так же как щель, пропускает световые колебания только одного направления, то в зависимости от направления колебаний свет будет или полностью пропущен, или погашен. Такое устройство называется поляризатором. Если ось поляризатора параллельна направлению колебаний падающего света, то колебания не будут задержаны, свет пройдет полностью и энергия светового потока не уменьшится. Если же повернуть поляризатор на 90° вокруг луча, то он не пропустит колебаний и погасит свет.

Аналогия с нитью  справедлива только для поляризованного света, так как его колебания, как и колебания нити, происходят в одной плоскости. Обычно мы имеем дело не с поляризованным, а с естественным светом.Естественный свет — это совокупность световых волн со всеми возможными направлениями колебаний. Эти колебания могут происходить или одновременно, или быстро и беспорядочно сменяя друг друга. Совокупность эта симметрична относительно луча. Поэтому поток естественного света равноценен во всех направлениях. Если на пути потока естественного света поставить поляризатор, пропускающий световые колебания только одного направления, то, как бы мы ни вращали поляризатор вокруг оси пучка, энергия последнего останется постоянной (но сниженной по сравнению с энергией падающего света). Если же на пути пучка, прошедшего поляризатор и ставшего поляризованным, поставить второй поляризатор, то в зависимости от его поворота энергия пучка света будет различна. На этом принципе основаны распознавание и анализ поляризованного света. Второй поляризатор, устанавливаемый в пучке поляризованного света, называют анализатором.

Оптическая  анизотропия. Получение, обнаружение и использование поляризованного света основаны лишь на взаимодействии с веществом, обладающим оптической анизотропией. Оптическая анизотропия, характерная, вообще говоря, для кристаллов, наблюдается и в ряде псевдокристаллических образований — текстур, в том числе в волокнах растений и животных тканей.

Анизотропия может вызываться регулярной ориентацией оптически анизотропных молекул, соединенных в мицеллы или пучки мицелл, причем в случае беспорядочного расположения таких же анизотропных элементов тело в общем может быть изотропным. Вторая возможная причина анизотропии — определенная ориентация оптически изотропных частиц. Теория этого явления, разработанная В. Винером, заключается в следующем.

Если тело состоит  из двух составных частей, одна из которых  представляет собой параллельно  расположенные длинные тела с  показателем преломления n1, толщины  которых, так же как и расстояние между ними, малы по сравнению с длиной волны света, а вторая часть с показателем преломления п2 заполняет пространство между этими телами, то такое смешанное тело будет вести себя как кристалл. Оптическая ось его совпадает с направлением оси длинных тел. Установить причину оптической анизотропии в каждом отдельном случае невозможно. Это не препятствует, однако, использованию явления в практических целях. 

 Характерная для  всех интерференционных явлений  зависимость от длины волны  («цвета») излучения приводит при этой «поляризации света» (как показывает само название) к окрашиванию интерференционной картины, если исходный поток был белым светом. Обычная схема получения картины хроматической поляризации света. В зависимости от разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей, приобретаемой в двулучепреломляющей пластинке, наблюдатель видит эту пластинку (в свете, выходящем из анализатора) тёмной или светлой в монохроматическом свете либо окрашенной — в белом. Если пластинка неоднородна по толщине или по показателю преломления, её участки, в которых эти параметры одинаковы, видны соответственно одинаково тёмными или светлыми либо одинаково окрашенными. Линии одинаковой цветности называют изохромами. Схема для наблюдения хроматической П. с. в сходящихся лучах показана на рис. 3.

   Особенности взаимодействия поляризованного света с веществом обусловили его исключительно широкое применение в научных исследованиях кристаллохимической и магнитной структуры твёрдых тел, строения биологических объектов (например, поляризационная микроскопия, , состояний элементарных излучателей и их отдельных центров, ответственных за квантовые переходы, для получения информации о чрезвычайно удалённых (в частности, астрофизических) объектах. Вообще, поляризация света как существенно анизотропное свойство излучения позволяет изучать все виды анизотропии вещества — поведение газообразных, жидких и твёрдых тел в полях анизотропных возмущений (механических, звуковых, электрических, магнитных, световых), в кристаллооптике — структуру кристаллов (в подавляющем большинстве — оптически анизотропных), в технике (например, в машиностроении) — упругие напряжения в конструкциях и т.д. Изучение поляризации света, испускаемого или рассеиваемого плазмой, играет важную роль в диагностике плазмы. Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или т. н. выстраиванию атомов, генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и пр. Напротив, исследование деполяризации света при фотолюминесценции даёт сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в др. случаях — о протекании фазовых переходов и т.д.

Поляризация света широко используется в технике, например при необходимости плавной регулировки интенсивности светового пучка, для усиления контраста и устранения световых бликов в фотографии, при создании светофильтров, модуляторов излучения, служащих одними из основных элементов систем оптической локации и оптической связи, для изучения протекания химических реакций, строения молекул, определения концентраций растворов и мн.(многие) др. поляризации света. Поляризация света играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определённых условиях к П. с. становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

2. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений

Метод изучения напряжений в деталях машин и строительных конструкциях на прозрачных моделях. Основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, желатин, пластмассы — оптически чувствительные или пьезооптические материалы) становиться при деформации оптически анизотропными, т. е. на возникновении искусственного двойного лучепреломления  (т. н. пьезооптического эффекта).

Рис. 4. Схемы: а — пластинки, нагруженной в своей плоскости; б — элемента объёма в напряжённом  состоянии; σ — нормальные; τ —  касательные напряжения.

  Главные значения тензора диэлектрической проницаемости линейно связаны с главными напряжениями. Так, например, для пластинки, нагруженной в своей плоскости, одно главное напряжение σ_з, направленное нормально к пластинке (рис. 4, а), равно нулю и одна из главных плоскостей оптической симметрии совпадает с плоскостью пластинки. Если на пластинку D в круговом полярископе (рис. 5) падает свет перпендикулярно к её плоскости, то оптическая разность хода равна: Δ = d (n₁ — n₂) или Δ = cd (σ₁ — σ₂), где d —толщина пластинки, (σ₁ и σ₂ — главные напряжения, с — т. н. относительный оптический коэффициент напряжений. Это уравнение (т. н. уравнение Вертгейма) — основное при решении плоских задач поляризации. При просвечивании монохроматическим светом в точках интерференционного изображения модели, в которых Δ = mλ (m — целое число), наблюдается погашение света; в точках, где Δ = (2m + 1)λ/2, — максимальная освещённость. На изображении модели (рис. 6) получаются светлые и тёмные полосы разных порядков m (картина полос). Точки, лежащие на одной и той же полосе, имеют одинаковую Δ, т. е. одинаковые σ₁ — σ₂ = 2τ_мах = Δ/cd (гдеτ_мах — максимальные скалывающие напряжения). При белом свете точки с одинаковыми τ_max соединяются линиями одинаковой окраски — изохромами.

Рис. 5. Схема кругового  полярископа: S — источник света, Р  — поляризатор; D — пластинка; λ/4 — компенсирующие пластинки; А —  анализатор; Э — экран.        

 Для определения  σ₁ — σ₂ (или τ_max) в данной точке достаточно определить с для материала модели и измерить компенсатором Δ или можно определить (σ₀ модели и подсчитать порядок полосы m (σ₀ = λ/cd — разность главных напряжений в модели, вызывающих разность хода Δ = λ; с и σ₀ получают при простом растяжении, сжатии или чистом изгибе на образцах из материала модели). Т. к. при нормальном просвечивании плоской модели можно получить только разность главных напряжений и их направление, то для определения (σ₁ и σ₂ в отдельности существуют дополнительные физико-механические способы измерения (σ₁ + σ₂, а также графовычислительные методы разделения (σ₁ и σ₂ по известным σ₁ — σ₂ и их направлению, использующие уравнения механики сплошной среды.

Рис. 3. Картина полос  при равномерном растягивании пластинки  с круглым отверстием.        

 Для исследования  напряжений на объёмных моделях  применяется более сложная техника  эксперимента. Объёмная модель часто исследуется с применением метода «замораживания» деформаций. Модель из материала, обладающего свойством «замораживания» (отверждённые эпоксидные, фенолформальдегидные смолы и др.), нагревается до температуры высокоэластического состояния, нагружается и под нагрузкой охлаждается до комнатной температуры (температуры стеклования). После снятия нагрузки деформации, возникающие в высокоэластическом состоянии, и сопровождающая их оптическая анизотропия фиксируются. Наглядно описать это явление можно при помощи условной двухфазной модели материала. При нагреве до 80—120 °С (высокоэластическое состояние) одна часть материала размягчается, другая остаётся упругой. Нагрузке, приложенной к нагретой модели, противостоит неразмягчающийся скелет. При охлаждении нагруженной модели до комнатной температуры размягчающаяся часть снова застывает («замораживается») и удерживает деформацию в скелете после снятия нагрузки. «Замороженную» модель распиливают на тонкие пластинки (срезы) толщиной 0,6— 2 мм, которые исследуют в обычном полярископе.         

 Применяется также  метод рассеянного света, при  котором тонкий пучок параллельных  лучей поляризованного света  пропускается через объёмную  модель и даёт в каждой точке  на своём пути рассеянный свет, который наблюдается в направлении, перпендикулярном к пучку. Состояние поляризации по линии каждого луча от точки к точке меняется соответственно напряжениям в этих точках. Существует метод, при котором в изготовленную из оптически нечувствительного к напряжениям прозрачного материала (специальные органические стекла) объёмную модель вклеивают тонкие пластинки из оптически чувствительного материала. Измерения во вклейках проводят, как на плоской модели, — с просвечиванием нормально или под углом к поверхности вклейки.        

 Описанный П.-о.  м. и. применяется для изучения  напряжений в плоских и объёмных  деталях в пределах упругости  в тех случаях, когда применение  вычислительных методов затруднено  или невозможно. П.-о. м. и. напряжений  используется для изучения пластических деформаций (фотопластичность), динамических процессов, температурных напряжений (фототермоупругость), для моделирования при решении задач ползучести (фотоползучесть) и др. нелинейных задач механики деформируемого тела.        

 Разработан также метод оптически чувствительных наклеек (слоев), наносимых на поверхности натурных деталей. Слой оптически чувствительного материала наносится на поверхность металлической детали или её модели в жидком виде и затем подвергается полимеризации или наклеивается на деталь в виде пластинки; это обеспечивает равенство деформаций нагруженной детали и покрытия. Деформации в покрытии определяются по измеренной в нём разности хода в отражённом свете при помощи односторонних полярископов.         

 Так как П.-о.  м. и. напряжений ведутся на моделях, то они заканчиваются переходом от напряжений в модели к напряжениям в детали. В простейшем случае σ_дет = σ_мод β/α², где α и β — масштабы геометрического и силового подобий.

3. Пример испытания заготовки на внутренние напряжения

Не затрагивая теорию этого метода, заметим только, что  если рассматривать через поляризационный  фильтр, прошедший сквозь заготовку  поляризованный свет, то в местах напряжений будут видны цветовые пятна. При  отсутствии внутренних напряжений пятна  отсутствуют.

Для испытаний соберем оптическую схему (рис. 7). Источником света будет служить лист белой бумаги, освещенный сильным светом электрической лампы мощностью 150—200 Вт. Для того чтобы свет, отраженный листом бумаги, поляризовать, уложим на стол лист оконного стекла, подложив под него черную бумагу. После отражения от этого стекла свет будет поляризован в одной плоскости. Далее по ходу луча установим собственно заготовку. Свет, прошедший сквозь заготовку, будем рассматривать через поляризационный фильтр. Диаметр фильтра не важен. Если нет фильтра, можно его изготовить самостоятельно. Для этого соберем в стопку 10—15 тонких кусочков стекла. Лучше всего взять покровные стекла от микроскопа. Их толщина примерно 0,5—1,0 мм. Пластины в стопке должны быть установлены наклонно к лучам света под углом 57°.

Глядя через поляризационный  фильтр (или стопку тонких пластин), расположим заготовку так, чтобы  она была видна на фоне стекла, в  котором отражается белый лист бумаги. Для того чтобы поляризация была максимальной, лучи от листа бумаги должны падать на стекло под углом примерно 57°. Если в заготовке есть внутренние напряжения, то мы увидим цветовые пятна (в основном коричневые

Рис. 7. Испытание заготовки на внутренние напряжения: а - лампа, б - лист белой бумаги, в- лист оконного стекла, г - исследуемая заготовка, д- поляризационный светофильтр, е - самодельный поляроид

и синеватые), которые  могут иметь различную форму. К сожалению, так мы сможем только определить наличие напряжений, но не сможем узнать их величину. Но и в таком виде испытания дают очень много. Можно слегка покачивать заготовку, чтобы понять, где находятся напряжения: в самой заготовке или во вспомогательном листе стекла.

4. Приборы для определения внутренних напряжений

4.1. Большая поляризационная установка

Большая поляризационная установка (рис. 8) предназначена для исследования напряжений в прозрачных моделях деталей машин и сооружений.

Источник света 1 (кинопроекционная лампа К12 или ртутная лампа СВДШ-250) размещен в фокальной плоскости конденсора 2 (фокусное расстояние 180 мм). Параллельный пучок лучей после конденсора проходит через светофильтр 3, поляризатор 4 (поляроид, вклеенный между защитными стеклами), слюдяную пластинку 5 в 1/4 волны и падает на исследуемый образец 6.

После образца образовавшиеся в нем лучи o и e проходят вторую пластинку 7 в 1/4 волны, анализатор 8 (аналогичный поляризатору 7) и падают на объектив 9 (фокусное расстояние 400 мм), который изображает источник света в плоскости апертурной диафрагмы 10 (ирисовая диафрагма фотозатвора; раскрытие диафрагмы от 2 до 4 мм при ртутной лампе, раскрытие диафрагмы полное до 20 мм для кинопроекционной лампы). Одновременно объектив 9 проецирует изображение образца на матовое стекло 15 при помощи откидного зеркала 11 или на фотопластинку 12.

Интерференционную картину  наблюдают через защитное стекло 14 и зеркало 16. Ее можно также проецировать с большим увеличением на экране 13.

Поляризатор, анализатор и пластинки в 1/4 волны вращаются  в пределах 0?90°; угол поворота отсчитывается  по шкале с ценой деления 1°. Пластинки  в 1/4 волны можно выводить из оптической схемы.

Конструктивно прибор выполнен в виде отдельных узлов: осветитель, в котором смонтированы детали; нагрузочное устройство, включающее образец 6; фотокамера, содержащая затвор с диафрагмой 10 и оптические детали , рассчитанная на фотопластинки размером 13х18 м.

Значительное усовершенствование процесса поляризационных измерений и повышение точности достигается при использовании объективных методов измерения. В качестве примеров приборов такого типа рассмотрим схему фотоэлектрического поляриметра.

4.2. Фотоэлектрический модуляционный поляриметр

Фотоэлектрический модуляционный поляриметр (рис. 9) позволяет измерять в исследуемом объекте разность фаз лучей о и е, меняющуюся во времени.

Лучистый поток от ртутной лампы 1 сверхвысокого давления проходит через иитерференционный  светофильтр 2 (с максимумом пропускания при l=0,436 мкм и l=0,546 мкм), поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления колебаний в лучах о и е составляют углы p/4 с направлением колебаний в луче, вышедшем из поляризатора. Выходящий из объекта 4 эллиптически поляризованный свет попадает на пластину 5, изготовленную из кристалла ADP , вырезанную так, что ее плоскости перпендикулярны оптической оси.

Введение пластины 5 позволяет модулировать проходящий через нее лучистый поток, так как на кристалле ADP очень удобно реализовать эффект Поккельса. При приложении к пластине 5 переменного электрического напряжения в направлении, параллельном оси лучистого потока и оптической оси кристалла, последний становится двухосным. Новые оптические оси образуют симметричные углы p/4 с прежним направлением оси. Следовательно, после приложения напряжения к пластине 5 проходящий через нее свет претерпевает двойное лучепреломление. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна напряжению электрического поля и не зависит от толщины пластины 5. В связи с возникающей переменной разностью фаз эллиптически поляризованный свет периодически меняет форму эллипса. Следовательно, на выходе компенсатора 6 (в схеме используется компенсатор Сенармона) плоскость линейно поляризованного света колеблется относительно среднего положения. После анализатора 11 модулированный поток света попадает на фотоумножитель l0. Из фотоумножителя ток с основной частотой, соответствующей первой гармонике сигнала, поступает в усилитель 8 и приводит в действие сервомотор 9, поворачивающий анализатор 1l до тех пор, пока в сигнале имеется первая гармоника. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотоумножитель падает минимальный поток излучения.

Самописец 7 фиксирует  углы поворота анализатора, причем измеряемая разность фаз равна удвоенному углу поворота анализатора.

Погрешность измерения  составляет в среднем приблизительно 20'.0

4.3. Полярископ-поляриметр ПКС-56

Полярископ-поляриметр ПКС-56 (рис. 10) служит для измерения двойного лучепреломления в стекле. Он состоит из источника света 1 (лампа накаливания), матового стекла 2, поляризатора 3 (поляроид, вклеенный между стеклами), пластинки 5 в 1/4 волны, анализатора 6 (аналогичного поляризатору 3) и светофильтра 7 (на длину волны 0,54 мкм).

Порядок измерения на приборе следующий: скрещивают поляризатор  и анализатор (отсчет по лимбу анализатора 0°, поле зрения темное); устанавливают образец 4 (если он обладает двойным лучепреломлением, то в поле зрения наблюдается просветление); поворачивают анализатор до максимального потемнения в середине образца; по лимбу отсчитывают угол поворота Db анализатора.

Зная Db, можно определить из соотношения

где l mdash толщина образца в направлении просмотра.

При l=10 мм погрешность измерения составляет 10-7. С увеличением l погрешность уменьшается.

4.4. Переносный малогабаритный поляриметр ИГ-86

Переносный малогабаритный поляриметр ИГ-86 (рис. 11) предназначен для визуального исследования напряженного состояния изделий с помощью оптически чувствительных покрытий. Он позволяет наблюдать интерференционную картину в условиях плоской и круговой поляризации и измерять оптическую разность хода как методом сопоставления цветов, так и компенсационным методом.

Источник света 1 (лампа  СЦ-61) размещен в фокусе объектива 3. Защитные стекла 2, 7 и 12 предохраняют прибор от попадания в него загрязнений. Параллельный пучок лучей проходит поляризационный светофильтр (поляризатор 4), полупрозрачное зеркало 8 и, отразившись от светоделительного слоя, падает на оптически чувствительное покрытие 6, нанесенное на исследуемый объект 5. После отражения от покрытия свет попадает в анализаторный узел прибора, проходит компенсатор 9, анализатор 10 (аналогичный поляризатору 4) и попадает в зрительную трубу (сменное увеличение 2 и 10х) со шкалой в совмещенной фокальной плоскости объектива 11 и окуляра 13. Перед глазной линзой окуляра и выходным зрачком 15 устанавливается светофильтр 14. Такая оптическая схема получила наименование Т-образной схемы.

Предел измерения оптической разности хода от 0 до 5 интерференционных  порядков. Погрешность измерения 0,05 интерференционных порядков.

Габариты прибора 400х400х800 мм; масса около 2 кг.

                                  5. Литература

1. Пригоровский Н. И., Поляризационно-оптический метод  исследования распределения напряжений, в кн.: Справочник машиностроителя, т. 3, М., 1962;

2.  Александров А.  Я., Ахметзянов М. Х., Поляризационно-оптические  методы механики деформируемого  тела, М., 1973.