1.실험목적 및 개요빛의 간섭을 이용하여 응력 분포 상태를 가시적으로 고찰할 수 있는 광탄성의 기본 원리 와 방법을 이해 습득하여 시료에 외부 힘이 작용할때의 응력 분포 상태를 시각적으로 나타 냄으로써 역학 구조를 이해한다.2.실험의 이론적 배경편광polarized light偏光빛의 진동면, 즉 전기장(電氣場)과 자기장(磁氣場)의 방향이 항상 일정한 평면에 한정되어 있는 빛. 이것에 대하여 광원으로부터의 직사광선처럼, 진동방향과 세기가 불규칙적으로 변화하면서 평균적으로는 어느 방향에서 같은 세기를 가지고, 진동면이 빛의 진행방향에 대칭인 빛을 자연광(自然光)이라 한다. 또 자연광과 편광이 섞인 빛을 부분편광이라 하며, 이에 대해 진동면이 일정한 편광을 완전편광 또는 직선(평면)편광이라 한다. 이러한 자연광과 편광은 직접 보아서는 구별할 수 없으나, 특정한 진동면을 가진 빛만을 통과시키는 필터(偏光子)를 통과시키면 편광은 필터의 회전에 수반하여 투과광(透過光)의 밝기가 변하므로, 필터의 회전에 관계없이 항상 같은 밝기를 가지는 자연광과 다르다는 것을 알 수 있다. 1809년 E.L.말뤼스는 평평한 면에서의 반사광이 편광성을 가진다는 것을 창유리에서 반사된 저녁 햇빛을 방해석(方解石)을 통해 보다가 발견하였다.【편광의 발생】1 반사 ·굴절:유리나 수면, 또는 도료를 칠한 면 등 비금속의 평활한 면에서 반사(反射)나 굴절(屈折)을 한 빛은 부분편광이 되며, 특히 빛이 어떤 각도로 입사하였을 때는 반사광이 직선편광이 된다. 이 특정한 각을 그 면의 브루스터각(角) 또는 편광각이라 하며, 이것을 로 나타내면 반사면 물질의 굴절률n과의 사이에 tan =n이라는 관계가 성립한다. 이것이 브루스터의 법칙이다. 이에 대하여 굴절광은 항상 반사광과는 수직인 방향으로 진동면(또는 편광면)을 가지는 편광을 포함하는데, 어떤 경우에도 직선편광이 되지 못한다. 평면유리를 몇 장 겹친 것에 편광각으로 빛을 입사시키면, 직선편광이 반사될 때마다 투과광이 반사광과 수직인 편광면을 가진 직선을 반사시키며, 나중 것은 한 쪽 굴절광을 많이 흡수하므로 투과광이 직선편광이 되며, 특정한 편광면을 가지는 편광만을 통과시키는 검광자(檢光子)로 사용할 수 있다. 다만 방해석이나 전기석은 얻을 수 있는 결정의 크기에 한도가 있으며, 특히 전기석은 착색이 강하여 정밀한 실험에는 적합하지 않다. 따라서 전기석과 마찬가지로 한쪽 굴절광을 강하게 흡수하는 미결정(微結晶)을 특수한 방법으로 기판 위에 일정한 방향으로 배열시킨 인조필터도 사용된다.【회전편광】복굴절성 물질의 광축(光軸)에 수직으로 편광자를 지난 빛을 통과시키면 서로 수직인 편광면을 가진 직선편광으로 나뉘며, 모두 굴절하지 않고 결정판을 통과한다. 그러나 둘 사이에는 물질의 두께와 각각의 빛에 대한 굴절률의 차에 의하여 결정되는 광로차(光路差)가 생기므로 물질을 나와서 어떤 위상차를 가지고 합성된다. 이때 두 빛의 위상차(位相差)가 라면 합성된 빛은 직선편광이 되는데, 그 이외의 위상차를 가질 때는 빛의 진행방향에 수직인 면 내를 전기장(또는 자기장)이 타원(위상차 /4인 때는 원)을 그리며 도는 특수한 편광이 된다. 이런 빛을 회전편광(타원편광 ·원편광)이라 한다. 또 이렇게 결정을 통과한 빛을 다시 한 장의 편광판(검광자)을 지나게 하면 검광자의 편광판과 파장에 대응한 간섭색(干涉色)을 볼 수 있다. 이것을 색편광(色偏光)이라 하며, 착색방식은 빛이 투과된 부분의 비등방성(非等方性)에 기초하는 광로차에 따르므로 이것을 기초로 그 물질의 구조를 추정할 수 있다. 편광현미경에 의한 광물이나 결정의 검안은 이것을 이용하고 있다. 타원편광은 직선편광이 강력한 자극으로부터 반사될 때에도 발생한다. 이 현상은 1877년 J.커에 의하여 발견된 것으로, 자기적 커효과라고 한다.【광회전성】어떤 종의 결정, 예를 들면 수정에 직선편광을 통과시키면 그 편광면을 바꾸는 성질을 가진다. 이것을 광회전성이라 하며 광회전성을 가지는 물질을 광학적 활성체(活性體)라 한다. 액체에서도 각종 당류(糖類)를 함유하는 용액은 이런 종류리l에 비례하며,?Hl(는 베르데의 상수라고 하는 비례상수)이라는 관계가 성립된다. 이 현상은 1845년 M.패러데이가 발견하여 패러데이효과라고 한다.【이용】검당계에 의한 당의 정량(定量), 광탄성(光彈性)에 의한 변형력시험 또는 편광현미경, 유리 내부의 변형검사 등 공업계측에도 이용된다. 편광필터에 의한 수면이나 유리의 반대편 물체의 관찰과 촬영, 편광으로 투영한 2개 화면을 편광안경에 의해 좌우 따로따로 보는 입체영화 등에도 이용된다.복굴절double refractionbirefringence複屈折어떤 종류의 물질에 입사한 빛이 방향이 다른 2개의 굴절광으로 갈라지는 현상. 1699년 E.바르톨리누스가 방해석에서 처음으로 관찰했다. 등축결정(等軸結晶)이 아닌 결정에서는 다소간에 이 현상이 보인다. 즉 방향에 따라 굴절률이 다른 결정체에서는 광학축과 입사광선이 기울어져 있을 때 굴절광은 둘로 갈라지며, 그 중 하나는 굴절의 법칙(스넬의 법칙)을 만족시키나(정상광선) 다른 하나는 굴절의 법칙을 만족시키지 않는다(이상광선). 복굴절로 생긴 상(像)을 회전하는 편광자(偏光子)를 통해서 보면 한 상이 사라졌을 때에 다른 쪽 상이 가장 밝게 보이며, 그 중간에서는 밝기가 다른 두 상이 보인다. 이것으로 미루어 보아 정상광선과 이상광선은 서로 수직인 편광면을 가진 직선편광임을 알 수 있다. 니콜프리즘 등은 이를 이용하여 자연광에서 편광을 꺼내는 장치이다. 한편, 복굴절을 나타내는 결정으로는 광축(光軸)이 하나인 단축결정(방해석 ·수정 ·전기석 등)과 광축이 둘인 쌍축결정(운모 ·애라거나이트 등)이 있는데, 단축결정에서는 두 굴절광 중 하나는 정상광선이고 다른 하나는 이상광선이며, 쌍축결정에서는 두 광선 모두 이상광선에 해당한다. 그런데 복굴절현상은 결정체뿐만 아니라 결정 이외의 등방성(等方性) 물체에서도 변형을 시키면 나타난다. 물체 내부의 변형력분포를 조사하는 광(光)탄성실험 등은 이 현상의 응용으로서 중요한 분야이다.등색선과 등경선{: 광원, 편광판, 시험편 및 검{alpha = 0또는 {90^0즉, 편광축 방향과 주응력 방향이 일치하거나 직교할 때이며, 이 때에 나타나는 암선을 등경선(Isoclinic line)이라 하고 주응력 방향을 구하는데 이용된다.또 {sin pi n = 0이 되려면 {n=0,1,2,3.... 등 정수가 될 때이며, 이 때 나타나는 암선을 등색선(Iosochromatic line)이라 하고 주응력 차를 구하는데 이용된다.평면 편광기에서 시험편을 관찰하면, 등색선과 등경선이 함께 나타나서, 주응력 차를 구하기 위해 등색선만을 관찰하려면 불편이 많다. 이러한 불편을 덜기 위해 등경선을 제거하고 등색선만 나타나게 한 장치가 원편광기이다. 원편광기는 편광판과 시험편 사이와, 시험편과 검광판 사이에, 1/4 파장판을 삽입한 것으로, 이 때에 검광판을 나온 광의 강도는 다음과 같이 된다.{{I={I_0{sin^2{pi{n즉, 등경선은 나타나지 않고 등색선만 나타난다.{I_0{I광원 편광판 1/4 시험편 1/4 검광판 카메라파장판 파장판- 직교원 편광 장치 -Brewster's law어떤 점에서의 주변형률 방향을 {x,{y라 하면그 빛의 Vector 분할과 2 개의 편광된 광선은 {x,{y평면 내에서 전파되어진다. 만일에, {x,{y축에서의 변형률의 세기(Strain Intensity)를 {epsilon_x,{epsilon_y라 하고 예상되는 빛의 진공속도를 {V_x,{V_y라 하고 각각의 평판을 통과하는데 필요한 시간을 {t/{V({t는 시험편의 두께) 라 하면 이 두 광선사이의 광로차는 다음과 같다.{delta= {C(t/{V_x- {t/{V_y )= {t(n_x- {n_y )= {K(epsilon_x- {epsilon_y )상수 {K를 광학적 변형률 계수(Strain-optical coefficient)라 하며 재료의 물리적 특정치이다. 이 값은 무차원 상수이고 항상 구경측정에 의하여 체계화 된다. {delta를 작용파장 {lambda의 배수로 표시한 {n을 무늬차수(fringe order)라 하며 {험을 필요로 한다. 그러나 시험편의 자유조록에서는, 그에 수직한 주응력이 0으로 되니까 등색선의 무늬차수로부터 접선방향의 주응력이 직접 구해진다.▷ fringe order 측정 및 stress 결정1) stress에 따른 color의 변화1 white는 0차에서 1차로 변화하는 초기에 한번 나타나나, 이때 stress는 거의 0이다.2 color의 변화는black → white → red → green → yellow → red → green1차는 약간 푸른빛이 있고, 2차 이상은 거의 파란색이 없어진다.3 maximum stress는 color fringe number가 가장 높은 곳4 fringe가 근접해 있으면 응력값의 변화가 심하다.5 same color → same stress▷실험 시편 제작 방법(주의사항)광탄성 시편 재료는 투명도 감도,등질 등방성이 좋은 에폭시판(두께 3mm,6mm)을 사용하여 필요시편의 형상을 그려 붙인 후 2~3mm의 다듬질 여유를 두고 실톱으로 끊어낸 후 세목줄로 다듬질한다. 이때 시편이 송상되지 않도록 주의하고, 가공으로 잔류응력이 남지 않도록 세심한 주의를 하고, 그래도 잔류응력이 존재한다면 응력동결로에서 응력을 제거하여야 한다.3.실험장치 및 실험방법▷실험장치{(그림2)Circular polariscope system used in experiment광탄성에서 주응력의 차이에 나타나는 등색프린지는 그림2 와 같이 편광판,두개의 4분파판 그리고 검광자로 구성된 원형편광기로부터 얻을 수 있다.광원등색선에는 보통 수은등을 사용함이좋고,등경선에는 백색등을 사용하느 것이 좋다.집광렌즈광원에서 나오느 빛을 모아 다음 장피로 보내는 역할을 한다. 이들 렌즈의 위치를 앞뒤로 적절히 조절하므로서 스크린에 나타나는 상의 밝기를 조절할 수 있다.단색필터λ=5461 의 광만을 통과시킨다. 등색선의 무늬차수를 확인할 때 쉽게 제거할 수있게 되어 있다.편광판,검광선이판은 눈금을 새긴 원형틀에 끼워져 광선의 광축에 수직한 방향으로 자유롭게 회전이
