[发明专利]基于斯托克斯矢量的透明陶瓷弹光系数测试方法

说明书

本发明公开了基于斯托克斯矢量的透明陶瓷弹光系数测试方法，包括光路构成与光路调节、可调力加载、数据获取和处理方法。所用仪器包括：平行光源、起偏器、力加载器、力传感器和力数显仪表、三维可调样品支架、偏振态测试仪。测试原理为：当材料在外加力作用下折射率发生变化时，与所加力垂直方向成45º的线偏振光通过样品后，光的偏振态会发生变化，测量出偏振光的斯托克斯矢量随外加应力变化的关系数据，由公式∆φ=arctan(S₃/S₂)计算出双折射光的相位差，进而计算出双折射率和弹光系数。本测试方法及原理科学明了、光路构成与调节简单、样品制备容易，既可测量各向同性的透明陶瓷材料和器件的弹光系数，也可测量各向异性晶体材料和器件的弹光系数，普适性强。

技术领域

本发明涉及一种基于斯托克斯矢量的透明陶瓷弹光系数测试方法，具体涉及一种锆钛酸铅透明陶瓷弹光系数的测试系统及方法，属透明陶瓷材料、弹光材料及其性能测试技术领域。

背景技术

透明陶瓷在激光、电光、声光和光测弹性技术等领域有广泛的应用前景，不同材料的透明陶瓷，其弹光性能及其随环境变化特性，决定着其实际应用方向和价值。在开发新型透明陶瓷材料与器件时，必须对材料与器件自身的弹光性能进行科学而系统的测试表征，以评估其特性是否能满足实际应用的需求。

介质材料在外力作用下将产生应变，由于应变而引起材料的折射率发生变化，产生双折射现象，这种介质材料由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应，用于测量并表征介质材料弹光效应的物理量就是弹光系数。

弹光系数的测量方法很多，如文献《Rb_0.3K_0.7TiOPO₄晶体弹光系数的相对法和绝对法测量》(王继扬等，人工晶体学报，1995年11月第2 4卷第4期347页)报道了改进的相位法和干涉法实现晶体弹光系数的测量；文献《一种基于偏振态检测技术的单模光纤应力双折射测量法》(古渊等，光子学报，1997年8月，第26卷第8期703页)报道了通过偏振光的琼斯矢量的测量光纤应力双折射系数，其本质是通过琼斯矢量的测量，计算出相位差，再通过相位差计算光纤应力双折射系数；文献《用光纤白光干涉技术测量晶体的弹光系数》(邢进华等，光子学报，2007年5月，第36卷5期890页)报道了光纤迈克尔逊白光干涉测量法测量晶体的弹光系数，本质上仍然是干涉法；文献《偏振干涉法测量晶体应力双折射精度分析》(肖昊苏等，红外与激光工程，2011年2月第40卷第2期271页)报道了采用偏振光源，测量原理仍然是干涉法。再如中国实用新型专利《弹光系数的测量系统》(CN207689368U)，公开了一种测量光学固化胶弹光系数的测量系统，采用的是光纤干涉法；中国发明专利《一种测量半导体材料弹光系数的装置及方法》(CN103278507A)公开了一种反射差分光谱法测量材料的弹光系数，该方法通过对样品施加连续可调的单轴应变，根据半导体材料平面内两个互相垂直的晶向反射系数的差异,从而得到折射率和吸收系数差异，利用晶体弹光系数矩阵和施加的单轴应变,得到弹光系数随光波波长的变化。总之，这些测试方法需要复杂的光路，光路调节难度大，也没有专用仪器，有的只适用于一些特殊材料的测试，并没有涉及各向同性陶瓷材料的弹光系数测量方法及系统布置公开。因此，寻找一种简单科学通用的弹光系数测试方法，对于透明陶瓷类弹光材料及其器件的研究和应用显得非常重要。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种基于斯托克斯矢量的弹光系数测试方法，特别是针对透明陶瓷材料与器件的弹光系数的表征要求，提供一种简单科学且高精度的测试方法。所述方法的理论依据是：材料在外力作用下，其折射率将发生变化，当偏振光通过材料时，描述偏振光的斯托克斯矢量将发生对应的变化，通过精确测量出斯托克斯矢量随外力的变化关系，利用斯托克斯矢量可计算出双折射光相位的变化，根据相位变化与外力的关系，计算得出待测样品的弹光系数。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：