本文深入探讨了散乱光光弹性应力仪的工作原理及应用。其基于散乱光弹性法，利用玻璃内部应力的双折射改变极化激光束的延迟，通过偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性计算表面压应力和压应力层厚度。应力与双折射紧密关联，偏振光在光弹性中起关键作用，激光束延迟与双折射及散乱光强度变化与应力计算也有内在联系。该应力仪具有适用性广、高精度检测等优势，在电子产品领域可提高玻璃抗破碎能力和确保产品质量稳定性，与其他应力仪组合应用能实现更精确的性能指标检测。

关键词：散乱光光弹性应力仪；工作原理；化学钢化玻璃

This paper deeply discusses the working principle and application of the scattered light photoelastic stress instrument. Based on the scattered light elasticity method, it uses the birefringence of the internal stress of the glass to change the delay of the polarized laser beam, and calculates the surface compressive stress and the thickness of the compressive stress layer through the optical path difference and polarization characteristics caused by the delay of the laser beam on the polarized light path. Stress is closely related to birefringence. Polarized light plays a key role in photoelasticity. There is also an internal connection between laser beam delay and birefringence as well as the change of scattered light intensity and stress calculation. This stress instrument has advantages such as wide applicability and high-precision detection. In the field of electronic products, it can improve the anti-breakage ability of glass and ensure the stability of product quality. Combined with other stress instruments, it can achieve more accurate performance index detection.

Keywords: scattered light photoelastic stress instrument; working principle; chemically tempered glass

一、引言

1.1 研究背景

在当今的科技发展中，玻璃材料及其制品广泛应用于建筑、日用、化学、电子、仪表、核工程等众多领域。然而，未强化处理的玻璃本身易碎，实际强度仅为理论强度的几百分之一。化学钢化玻璃的出现虽然在一定程度上解决了玻璃的脆性问题，但随着其厚度降低与强度提升，准确表征化学钢化性能的表面压应力（CS）和压应力层厚度（DOL）变得至关重要。散乱光光弹性应力仪作为一种重要的检测工具，在玻璃应力检测中具有不可替代的地位。

目前，智能手机、平板电脑等电子产品对化学钢化超薄玻璃的需求不断增加，而玻璃的易碎性使得提高或保持其强度和抗破碎能力成为关键。如何有效地测量化学钢化玻璃的表面压应力和压应力层厚度，是当下迫切需要解决的问题。散乱光光弹性应力仪采用散乱光弹性法，利用玻璃内部应力的双折射改变极化激光束的延迟，通过偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性来计算表面压应力和压应力层厚度。相对于光波导技术，散乱光光弹性应力仪具有适用性广、检测精度高、空间分辨率高、对玻璃应力层深度敏感度高等明显优势。例如，在测量化学钢化玻璃产品过程中，激光光斑直径约为 10μm，易于对光程差进行观察与调整，减少测量误差，保持产品在更高水平的一致性。同时，它可以精确检测玻璃应力层深度，适用于多次离子交换、复杂压应力层化学钢化玻璃的表面应力测试，且测量时无损耗，节省时间和人力。但该仪器也存在不足之处，对玻璃表面较表层应力大小检测不够精确，容易受到玻璃表面状况如刮痕、灰尘、污渍等的影响。

一、引言

1.2 研究目的

散乱光光弹性应力仪的工作原理基于散乱光弹性法，该方法利用玻璃内部应力的双折射来改变极化激光束的延迟，散乱光的强度随激光束延迟的变化而改变，通过偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性来计算表面压应力和压应力层厚度。

具体来说，当在透明模型的表面施加压力使其进入应变状态时，输入的线性偏振光束会改变其偏振态，部分被发射到外围成为散乱光。散乱光具有与原始光束在其分散位置处的偏振特性对应的角分布。光程差的大小和主次应力差成比例，当从一定方向观察光束的路径时，可以通过来自该路径的散乱光的强度变化来估计偏振特性的变化和原始光束光程差的变化。光路长度的光程差变化与作用在光路上的应力有关。

散乱光光弹性应力仪在化学钢化玻璃表面应力测量中具有重要的应用价值。在智能手机、平板电脑等电子产品领域，化学钢化超薄玻璃需求不断增加，而该仪器能够准确测量化学钢化玻璃的表面压应力和压应力层厚度，为提高玻璃的强度和抗破碎能力提供了关键数据。例如，化学钢化玻璃中的表面压缩应力与玻璃的弯曲强度相关，决定了玻璃抗压、耐摔的机械强度；应力压缩层厚度与通过刮擦和风化的强度降低相关，增大有利于提高玻璃的力学稳定性。

此外，散乱光光弹性应力仪还具有一些独特的优势。它不依赖于玻璃表面内折射率的分布，适用性广；可以对弯曲玻璃、不规则形状的玻璃进行表面应力检测，检测精度高；激光光斑直径约为 10μm，空间分辨率高，易于对光程差进行观察与调整，减少测量误差，保持产品在更高水平的一致性；对玻璃应力层深度敏感度高，可以精确检测玻璃应力层深度。同时，测量时无损耗，节省时间和人力。

综上所述，深入剖析散乱光光弹性应力仪的工作原理及应用价值，对于提高化学钢化玻璃的质量和过程控制具有重要意义。

二、理论基础

2.1 光弹性基本原理

光弹性法是一种利用光学原理来研究材料内部应力分布的实验方法。在光弹性法中，应力与双折射以及偏振光之间存在着密切的关系。

2.1.1 应力与双折射的关联

当玻璃内部存在应力时，会导致玻璃的光学性质发生变化，产生双折射现象。以散乱光光弹性应力仪为例，玻璃内部的应力会使通过玻璃的极化激光束发生延迟，并且散乱光的强度也会随着激光束的延迟而改变。这种现象是由于玻璃内部的应力使得玻璃的折射率发生了变化，从而导致了双折射的产生。例如，在化学钢化玻璃中，表面压应力和压应力层厚度的变化会引起玻璃内部应力的分布发生改变，进而导致双折射的程度也发生变化。通过测量这种双折射的变化，可以计算出玻璃表面的压应力和压应力层厚度。

2.1.2 偏振光在光弹性中的作用

在散乱光光弹性应力仪中，偏振光起着至关重要的作用。偏振光是一种只在特定方向上振动的光，它可以通过起偏器和检偏器来产生和检测。在光弹性实验中，将具有双折射效应的透明材质制成的结构模型置于偏振光场中，当给模型施加载荷时，模型上会产生干涉条纹图。通过分析这些干涉条纹，可以确定模型在受载状态下的应力分布。在散乱光光弹性应力仪中，偏振光的运用主要体现在以下几个方面：首先，偏振光可以用来产生特定方向的光束，使得光束能够更好地穿透玻璃材料，从而提高测量的准确性。其次，偏振光的光程差和偏振特性可以用来计算玻璃表面的压应力和压应力层厚度。例如，通过测量偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性，可以利用特定的算法计算出玻璃表面的应力分布情况。此外，偏振光还可以通过调整其偏振方向和强度，来适应不同形状和厚度的玻璃材料的测量需求。

2.2 散乱光弹性法原理

当激光束通过玻璃内部时，其延迟现象与散乱光强度的变化紧密相关，这是散乱光光弹性应力仪工作的核心原理之一。

2.2.1 激光束延迟与双折射

玻璃在无应力状态下，其光学性质相对稳定，对通过的激光束影响较小。然而，当玻璃内部存在应力时，情况就发生了显著变化。激光束在玻璃中的传播速度会因应力的存在而发生改变，从而导致激光束延迟。这种延迟现象是由于玻璃内部的应力使得玻璃的折射率发生了变化，进而产生了双折射。具体来说，玻璃内部的应力会使玻璃分子的排列发生改变，从而影响了光在玻璃中的传播路径。当激光束通过具有应力的玻璃时，其偏振态也会发生改变，一部分光被发射到外围成为散乱光。例如，在化学钢化玻璃中，表面压应力和压应力层厚度的不均匀分布会引起玻璃内部应力的复杂变化，进而导致激光束在不同位置的延迟程度不同，双折射现象也会随之变化。这种双折射的变化可以通过测量激光束的延迟来间接反映出来。

2.2.2 散乱光强度变化与应力计算

散乱光的强度变化是计算表面压应力的关键依据。当激光束在玻璃中发生延迟时，散乱光的强度会随着激光束的延迟而改变。这是因为激光束的延迟会导致玻璃内部的双折射程度发生变化，从而影响散乱光的产生和传播。根据光弹性原理，光路长度的光程差变化与作用在光路上的应力有关。通过测量散乱光的强度变化，可以间接得到光程差的变化信息。然后，利用特定的算法和偏振特性，可以将光程差的变化转化为表面压应力的数值。例如，在散乱光光弹性应力仪中，通过对不同位置的散乱光强度进行测量和分析，可以得到玻璃表面各个点的应力分布情况。这种方法具有较高的精度和空间分辨率，能够准确地测量化学钢化玻璃的表面压应力和压应力层厚度。

三、散乱光光弹性应力仪的特点与优势

3.1 适用性广的特点

3.1.1 对不同形状玻璃的检测

散乱光光弹性应力仪不依赖于玻璃表面内折射率的分布，这使得它在检测不同形状的玻璃时具有显著优势。对于弯曲玻璃，传统的应力检测方法可能会受到曲率的影响而难以准确测量。然而，散乱光光弹性应力仪能够通过其独特的激光束光弹性分析原理，有效地检测弯曲玻璃的表面应力。例如，在智能手机曲面屏的化学钢化玻璃检测中，该仪器能够准确测量出表面压应力和压应力层厚度，为提高曲面屏的强度和抗破碎能力提供关键数据。对于不规则形状的玻璃，如汽车挡风玻璃的特殊形状部分，散乱光光弹性应力仪也能进行精确检测。它可以适应不规则形状玻璃的复杂应力分布，通过激光光斑的高空间分辨率，对不同位置的应力进行准确测量，保持产品在更高水平的一致性，减少测量误差。

3.1.2 多次离子交换玻璃的适用性

以化学钢化玻璃为例，散乱光光弹性应力仪在多次离子交换的情况下依然表现出强大的适用性。在化学钢化过程中，玻璃经过多次离子交换，会形成复杂的压应力层。传统的检测方法可能难以准确测量这种复杂情况下的应力分布。而散乱光光弹性应力仪利用散乱光弹性法，能够精确检测玻璃应力层深度。例如，在化学钢化超薄玻璃的生产中，该仪器可以准确测量多次离子交换后的玻璃表面压应力和压应力层厚度，为优化生产工艺提供重要依据。它对具有多个峰值的压应力层也能进行准确测量，相比其他方法更加适应多次离子交换的化学钢化玻璃的应力测量。其适用性广的特点使得它在化学钢化玻璃生产领域具有不可替代的地位。

3.2 高精度检测优势

3.2.1 激光光斑与精度关系

散乱光光弹性应力仪在测量化学钢化玻璃产品过程中，激光光斑的直径约为 10μm。这种小直径的激光光斑对精度有着重要的影响。首先，较小的激光光斑能够更精确地聚焦在玻璃表面的特定位置，使得光程差的观察更加细致入微。例如，在对化学钢化玻璃进行检测时，小光斑可以准确地探测到玻璃表面微小区域的应力变化，从而提高测量的精度。其次，小光斑易于对光程差进行调整，因为其作用范围较小，可以更精确地控制光的传播路径和偏振特性。这有助于保持产品在更高水平的一致性，减少测量误差。例如，在智能手机、平板电脑等电子产品的化学钢化超薄玻璃检测中，小光斑能够更好地适应玻璃的高精度要求，为提高产品质量提供可靠的数据支持。

3.2.2 对玻璃应力层深度的精确检测

散乱光光弹性应力仪对玻璃应力层深度敏感度高，可以精确的检测玻璃应力层深度。在化学钢化玻璃的生产过程中，准确测量应力层深度对于控制产品质量至关重要。例如，对于化学钢化超薄玻璃，该仪器能够精确检测出应力层深度在 10 - 600μm 范围内的变化。通过偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性，结合特定的算法，可以准确计算出玻璃应力层的深度。在实际应用中，如在电子设备显示屏玻璃的生产中，精确的应力层深度检测可以确保玻璃具有足够的强度和抗破碎能力。同时，对于多次离子交换、复杂压应力层的化学钢化玻璃，该仪器也能准确地测量应力层深度，为优化生产工艺提供关键数据。例如，将光波导效应测量化学钢化玻璃表面较大应力值 CS 和散乱光弹性技术测量化学钢化玻璃的较大应力层深度 DOL 这两种方法相结合，可以更加精确表征玻璃的钢化性能指标。

四、应用案例与实践

4.1 电子产品领域应用

以智能手机、平板电脑玻璃检测为例。

4.1.1 提高玻璃抗破碎能力

在智能手机和平板电脑等电子产品中，玻璃屏幕的抗破碎能力至关重要。散乱光光弹性应力仪在这个领域发挥着关键作用。通过准确测量化学钢化玻璃的表面压应力和压应力层厚度，应力仪能够为提高玻璃的抗破碎能力提供重要依据。例如，化学钢化玻璃中的表面压缩应力与玻璃的弯曲强度相关，决定了玻璃抗压、耐摔的机械强度。应力仪可以精确检测出玻璃表面的应力分布情况，帮助生产商优化生产工艺，提高玻璃的抗破碎能力。在实际生产中，生产商可以根据应力仪的测量结果，调整化学钢化的参数，如离子交换的时间、温度和浓度等，以获得最佳的表面压应力和压应力层厚度，从而提高玻璃的抗破碎能力。

4.1.2 确保产品质量稳定性

散乱光光弹性应力仪的连续测量和数据管理功能在确保电子产品玻璃质量稳定性方面发挥着重要作用。该仪器能够实现连续测量，同时根据设置区间自动判断合格/不合格，并自动保存测量的数据，累计测量数目（合格数目/不合格数目）。这使得生产商可以实时监控生产过程中的玻璃质量，及时发现问题并采取措施。例如，在智能手机玻璃的生产线上，应力仪可以连续对每一块玻璃进行检测，确保产品质量的稳定性。同时，通过电脑自动保存数据，便于品质管理。生产商可以对大量的测量数据进行分析，了解生产过程中的变化趋势，进一步优化生产工艺，提高产品质量的稳定性。此外，除了连续测量，仪器还可以自由选择单次测量、手动测量等测量方式，满足不同的生产需求。在电子产品市场竞争激烈的今天，确保产品质量稳定性对于企业的生存和发展至关重要。散乱光光弹性应力仪的这些功能为生产商提供了有力的支持，帮助他们提高产品质量，增强市场竞争力。

4.2 与其他应力仪组合应用

4.2.1 不同原理应力仪的互补

FSM-6000LE/UV 应力仪与散乱光光弹性应力仪 SLP-2000 虽然工作原理不同，但在应力检测方面具有很强的互补性。FSM-6000LE/UV 应力仪主要利用专用光源产生平面偏振光，根据光弹性测试法计算出化学强化和物理强化玻璃表面的应力以及应力层深度，侧重于测试表面钾离子应力值及深度。而 SLP-2000 应力仪则是利用散乱光弹性法，通过玻璃内部应力的双折射改变极化激光束的延迟，依据散乱光的强度变化及偏振特性来计算表面压应力和压应力层厚度，主要针对二次强化钠离子压应力及应力层深度进行测试。

例如，在化学钢化玻璃的检测中，钾离子和钠离子在玻璃中的分布和作用不同，单一的应力仪可能无法全面准确地反映玻璃的应力状态。FSM-6000LE/UV 应力仪对钾离子层较为敏感，能够准确测量钾离子交换产生的应力值 CS 应力层深度 DOL 以及中心张应力数据；而 SLP-2000 应力仪对钠离子层的检测更加精准，可测试 CS、CS30、CS50、CS-TP、CT-CV、DOL_300、DOL-50、DOL-TP、DOL_ZERO 等项目。两者结合，能够全面覆盖钾离子和钠离子的应力检测，为玻璃的应力分析提供更完整的数据。

4.2.2 组合后更精确的性能指标

FSM-6000LE/UV 应力仪与 SLP-2000 散乱光应力仪组合后，能够实现更精确的性能指标检测。例如，FSM-6000LE/UV 应力仪可测试应力值 CS、应力层深度 DOL 以及中心张应力数据；SLP-2000 可测试多种钠离子相关的应力项目。通过将光波导效应测量化学钢化玻璃表面较大应力值 CS 和散乱光弹性技术测量化学钢化玻璃的较大应力层深度 DOL 这两种方法相结合，可以更加精确表征玻璃的钢化性能指标。

具体来说，组合后的仪器可以对化学钢化玻璃的应力进行更全面、更深入的分析。在测量化学钢化超薄玻璃时，能够准确检测出玻璃表面的钾离子和钠离子应力分布，以及应力层的深度和厚度。例如，在智能手机、平板电脑等电子产品的玻璃屏幕检测中，组合后的仪器可以精确测量出玻璃的表面压应力和压应力层厚度，确保产品具有足够的强度和抗破碎能力。同时，通过电脑自动保存数据，便于品质管理和数据分析，为优化生产工艺提供有力支持。

综上所述，FSM-6000LE/UV 应力仪与 SLP-2000 散乱光应力仪的组合应用，充分发挥了不同原理应力仪的互补优势，实现了更精确的性能指标检测，为化学钢化玻璃的质量控制和生产工艺优化提供了重要保障。

五、结论与展望

5.1 研究结论总结

散乱光光弹性应力仪基于散乱光弹性法，利用玻璃内部应力的双折射改变极化激光束的延迟，通过偏振光光路上因激光束延迟而出现的光程差和偏振特性来计算表面压应力和压应力层厚度。

在原理方面，应力与双折射紧密关联，玻璃内部应力会产生双折射现象，影响通过的极化激光束，而偏振光在光弹性中起到关键作用，可产生特定方向光束、计算应力分布并适应不同材料测量需求。激光束在玻璃中的延迟与双折射以及散乱光强度变化与应力计算也有着内在联系，通过测量这些变化能够准确得到玻璃表面的应力信息。

在应用成果方面，该应力仪具有适用性广的特点。对不同形状的玻璃，如弯曲玻璃和不规则形状玻璃都能进行有效检测，不依赖于玻璃表面内折射率的分布。在多次离子交换的化学钢化玻璃中也表现出强大的适用性，能准确测量复杂压应力层的应力分布。同时，它还具有高精度检测优势，激光光斑直径约为 10μm，能够更精确地聚焦和调整光程差，提高测量精度。对玻璃应力层深度敏感度高，可精确检测 10 - 600μm 范围内的应力层深度。

在电子产品领域，散乱光光弹性应力仪在提高玻璃抗破碎能力和确保产品质量稳定性方面发挥了重要作用。通过准确测量化学钢化玻璃的表面压应力和压应力层厚度，为生产商优化生产工艺提供依据，提高玻璃的抗破碎能力。连续测量和数据管理功能能够实时监控生产过程中的玻璃质量，确保产品质量的稳定性。

与其他应力仪组合应用时，FSM - 6000LE/UV 应力仪与散乱光光弹性应力仪 SLP - 2000 具有互补性，组合后能够实现更精确的性能指标检测，为化学钢化玻璃的质量控制和生产工艺优化提供重要保障。

总之，散乱光光弹性应力仪在玻璃应力检测领域具有重要的地位和应用价值。

5.2 未来研究方向展望

随着科技的不断进步，散乱光光弹性应力仪在未来有着广阔的发展前景。以下是一些可能的未来研究方向。

（一）技术改进

（二）与其他技术结合

（一）新兴行业应用

（二）特殊玻璃材料检测

总之，未来散乱光光弹性应力仪可以通过技术改进、与其他技术结合以及拓展应用领域等方式，不断提高测量精度和拓展应用范围，为玻璃材料的研究和应用提供更强大的技术支持。