ในวิทยาศาสตร์วัสดุโฟโตอิลาสติซิตี้อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางแสงของวัสดุภายใต้การเสียรูป ทางกล เป็นคุณสมบัติของตัวกลางไดอิเล็กทริก ทุกชนิด และมักใช้ในการทดลองเพื่อหา การกระจาย ความเค้นในวัสดุ

ปรากฏการณ์โฟโตอิลาสติกถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ ชาวสก็อตแลนด์ เดวิด บรูว์สเตอร์ซึ่งตระหนักได้ทันทีว่าเป็นการหักเหสองทิศทางที่เกิดจากความเครียด[ 1 ^{] [ 2 ]การวินิจฉัย}ดังกล่าวได้รับการยืนยันในการทดลองการหักเหโดยตรงโดยออกัสติน-ฌอง เฟรสเนล^{[ 3 ]}กรอบการทดลองได้รับการพัฒนาในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ด้วยผลงานของอีจี โคเกอร์และแอลเอ็นจี ฟิโลนจากมหาวิทยาลัยลอนดอนหนังสือของพวกเขาชื่อ Treatise on Photoelasticityซึ่งตีพิมพ์ในปี 1930 โดยสำนักพิมพ์เคมบริดจ์กลายเป็นตำรามาตรฐานในเรื่องนี้ ระหว่างปี 1930 ถึง 1940 มีหนังสืออื่นๆ อีกมากมายปรากฏขึ้นในเรื่องนี้ รวมถึงหนังสือในภาษารัสเซีย เยอรมัน และฝรั่งเศสแม็กซ์ เอ็ม. ฟรอชต์ได้ตีพิมพ์ผลงานคลาสสิกสองเล่มชื่อPhotoelasticityในสาขานี้^{[ 4 ]}ในขณะเดียวกันก็มีการพัฒนามากมายเกิดขึ้นในสาขานี้ มีการปรับปรุงเทคนิคอย่างมาก และอุปกรณ์ก็ถูกทำให้ง่ายขึ้น ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยี การทดลองโฟโตอิลาสติกจึงขยายไปสู่การกำหนดสถานะความเครียดสามมิติ ควบคู่ไปกับการพัฒนาเทคนิคการทดลอง คำอธิบายเชิงปรากฏการณ์แรกของโฟโตอิลาสติกได้รับการนำเสนอในปี พ.ศ. 2433 โดย^Friedrich Pockels [ ^{5 ]}อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่เพียงพอเกือบหนึ่งศตวรรษต่อมาโดย Nelson & Lax ^{[ 6 ]}เนื่องจากคำอธิบายของ Pockels พิจารณาเฉพาะผลกระทบของความเครียดเชิงกลต่อคุณสมบัติทางแสงของวัสดุเท่านั้น

ด้วยการถือกำเนิดของโพลาริสโคป แบบดิจิทัล ซึ่งเป็นไปได้ด้วยไดโอดเปล่งแสง ทำให้สามารถตรวจสอบโครงสร้างภายใต้แรงกดได้อย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้จึงนำไปสู่การพัฒนาศาสตร์แห่งความยืดหยุ่นด้วยแสงแบบไดนามิก ซึ่งมีส่วนช่วยอย่างมากในการศึกษาปรากฏการณ์ที่ซับซ้อน เช่นการแตกหักของวัสดุ

โฟโตอิลาสติซิตี้ถูกนำมาใช้สำหรับการวิเคราะห์ความเครียดที่หลากหลายและแม้กระทั่งการใช้งานทั่วไปในการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งก่อนการเกิดขึ้นของวิธีการเชิงตัวเลข เช่นองค์ประกอบไฟไนต์หรือองค์ประกอบขอบเขต^{[ 7 ]}การแปลงโพลาริสโคปีให้เป็นดิจิทัลช่วยให้สามารถบันทึกภาพและประมวลผลข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อควบคุมคุณภาพของกระบวนการผลิตวัสดุ เช่น แก้ว^{[ 8 ]}และพอลิเมอร์^{[ 9 ]}ทันตกรรมใช้โฟโตอิลาสติซิตี้ในการวิเคราะห์ความเครียดในวัสดุทำฟันปลอม^{[ 10 ]}

โฟโตอิลาสติซิตี้สามารถใช้ในการตรวจสอบสถานะความเค้นเฉพาะจุดสูงภายในงานก่ออิฐได้สำเร็จ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}หรือบริเวณใกล้เคียงกับส่วนประกอบเส้นแข็ง (ตัวเสริมความแข็งแรง) ที่ฝังอยู่ในตัวกลางยืดหยุ่น^{[ 14 ]}ในกรณีแรก ปัญหาเป็นแบบไม่เชิงเส้นเนื่องจากการสัมผัสระหว่างอิฐ ในขณะที่ในกรณีหลัง วิธีแก้ปัญหาแบบยืดหยุ่นเป็นเอกฐาน ดังนั้นวิธีการเชิงตัวเลขอาจล้มเหลวในการให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง ซึ่งสามารถหาได้จากเทคนิคโฟโตอิลาสติซิตี้ โฟโตอิลาสติซิตี้แบบไดนามิกที่ผสานรวมกับการถ่ายภาพความเร็วสูงถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมการแตกหักในวัสดุ^{[ 15 ]}การประยุกต์ใช้ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของการทดลองโฟโตอิลาสติซิตี้คือการศึกษาฟิลด์ความเค้นรอบรอยบากสองวัสดุ^{[ 16 ]}รอยบากสองวัสดุมีอยู่ในการใช้งานทางวิศวกรรมหลายอย่าง เช่น โครงสร้างที่เชื่อมหรือยึดติดด้วยกาว

ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบบางอย่างของมหาวิหารโกธิกที่เคยคิดว่าเป็นของตกแต่งนั้น ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการรองรับโครงสร้างโดยวิธีการโฟโตอิลาสติก^{[ 17 ]}

สำหรับวัสดุไดอิ เล็กทริกเชิงเส้น การเปลี่ยนแปลงในเทนเซอร์สภาพยอมผกผันเมื่อเทียบกับการเสียรูป (เกรเดียนต์ของการกระจัด) อธิบายโดย^{[ 18 ]}${\displaystyle \Delta (\varepsilon ^{-1})_{ij}}$${\displaystyle \partial _{\ell }u_{k}}$

${\displaystyle \Delta (\varepsilon ^{-1})_{ij}=P_{ijk\ell }\partial _{k}u_{\ell }}$

โดยที่เป็นเทนเซอร์โฟโตอิลาสติซิตี้อันดับสี่เป็นการกระจัดเชิงเส้นจากสมดุล และหมายถึงการอนุพันธ์เทียบกับพิกัดคาร์ทีเซียนสำหรับวัสดุไอโซโทรปิก นิยามนี้จะลดรูปเป็น^{[ 19 ]}${\displaystyle P_{ijk\ell }}$${\displaystyle u_{\ell }}$${\displaystyle \partial _{l}}$${\displaystyle x_{l}}$

${\displaystyle \Delta (\varepsilon ^{-1})_{ij}=p_{ijk\ell }s_{k\ell }}$

โดยที่คือส่วนสมมาตรของเทนเซอร์โฟโตอิลาสติก (เทนเซอร์ความเครียดโฟโตอิลาสติก) และคือความเครียดเชิงเส้นส่วนที่ไม่สมมาตรของเรียกว่าเทนเซอร์โรโตออปติกจากนิยามใดนิยามหนึ่ง จะเห็นได้ชัดว่าการเสียรูปของวัตถุอาจทำให้เกิดความไม่สมมาตรทางแสง ซึ่งอาจทำให้วัสดุที่ปกติแล้วเป็นไอโซโทรปิกทางแสงแสดงการหักเหสองทิศทาง ได้ แม้ว่าเทนเซอร์โฟโตอิลาสติกแบบสมมาตรมักจะถูกนิยามโดยสัมพันธ์กับความเครียดเชิงกล แต่ก็สามารถแสดงโฟโตอิลาสติกในแง่ของ ความเค้นเชิงกลได้เช่นกัน ${\displaystyle p_{ijk\ell }}$${\displaystyle s_{k\ell }}$${\displaystyle P_{ijk\ell }}$

วิธีการทดลองอาศัยคุณสมบัติการหักเหสองทิศทาง ( birefringence) ซึ่งพบได้ในวัสดุโปร่งใสบางชนิด การหักเหสองทิศทางเป็นปรากฏการณ์ที่รังสีของแสงที่ผ่านวัสดุหนึ่งๆ จะมีค่าดัชนีหักเห สองค่า คุณสมบัติการหักเหสองทิศทาง (หรือการหักเหสองชั้น) พบได้ในผลึก แสงหลายชนิด เมื่อได้รับแรงกด วัสดุโฟโตอิลาสติกจะแสดงคุณสมบัติการหักเหสองทิศทาง และขนาดของดัชนีหักเห ณ แต่ละจุดในวัสดุจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสถานะของแรงกด ณ จุดนั้น ข้อมูลต่างๆ เช่นแรงเฉือน สูงสุด และทิศทางของมัน สามารถหาได้จากการวิเคราะห์การหักเหสองทิศทางด้วยเครื่องมือที่เรียกว่าโพลาริสโคป (polariscope )

เมื่อลำแสงผ่านวัสดุโฟโตอิลาสติก ส่วนประกอบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกแยกออกตามทิศทางความเค้นหลัก สองทิศทาง และแต่ละส่วนประกอบจะมีดัชนีหักเหที่แตกต่างกันเนื่องจากไบรีฟริงเจนซ์ ความแตกต่างของดัชนีหักเหทำให้เกิดการ หน่วง เฟสสัมพัทธ์ระหว่างส่วนประกอบทั้งสอง สมมติว่าชิ้นงานบางที่ทำจาก วัสดุ ไอโซโทรปิกซึ่งโฟโตอิลาสติกแบบสองมิติสามารถใช้ได้ ขนาดของการหน่วงสัมพัทธ์จะกำหนดโดยกฎความเค้น-ออปติก : ^{[ 20 ]}

${\displaystyle \Delta ={\frac {2\pi t}{\lambda }}C(\sigma _{1}-\sigma _{2})}$

โดยที่ Δ คือค่าความหน่วงที่เกิดขึ้น และCคือสัมประสิทธิ์ความเค้นเชิงแสง ,tคือความหนาของชิ้นงาน,λคือความยาวคลื่นในสุญญากาศ และσ₁และσ₂คือความเค้นหลักอันดับแรกและอันดับสองตามลำดับ การหน่วงเวลาจะเปลี่ยนโพลาไรเซชันของแสงที่ส่งผ่าน โพลาริสโคปจะรวมสถานะโพลาไรเซชันที่แตกต่างกันของคลื่นแสงก่อนและหลังผ่านชิ้นงาน เนื่องจากการรบกวนของคลื่นทั้งสอง ทำให้เกิดลวดลายริ้วขึ้น จำนวนลำดับของริ้วNจะถูกแทนด้วย

${\displaystyle N={\frac {\เดลต้า }{2\pi }}}$

ซึ่งขึ้นอยู่กับการหน่วงสัมพัทธ์ การศึกษาลวดลายริ้วช่วยให้สามารถกำหนดสถานะความเครียด ณ จุดต่างๆ ในวัสดุได้

สำหรับวัสดุที่ไม่แสดงพฤติกรรมโฟโตอิลาสติก ก็ยังสามารถศึกษาการกระจายความเค้นได้ ขั้นตอนแรกคือการสร้างแบบจำลองโดยใช้วัสดุโฟโตอิลาสติกที่มีรูปทรงเรขาคณิตคล้ายกับโครงสร้างจริงที่กำลังศึกษา จากนั้นจึงใช้แรงกระทำในลักษณะเดียวกันเพื่อให้แน่ใจว่าการกระจายความเค้นในแบบจำลองนั้นคล้ายคลึงกับความเค้นในโครงสร้างจริง

เส้นไอโซคลินิก คือตำแหน่งของจุดในชิ้นงานทดสอบที่ความเค้นหลักมีทิศทางเดียวกัน

เส้นไอโซโครมาติกคือตำแหน่งของจุดที่ความแตกต่างของความเค้นหลักแรกและความเค้นหลักที่สองยังคงเท่าเดิม ดังนั้นจึงเป็นเส้นที่เชื่อมจุดที่มีขนาดของความเค้นเฉือนสูงสุดเท่ากัน^{[ 21 ]}

ปรากฏการณ์โฟโตอิลาสติซิตี้สามารถอธิบายสถานะความเค้นได้ทั้งแบบสามมิติและสองมิติ อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบโฟโตอิลาสติซิตี้ในระบบสามมิติมีความซับซ้อนมากกว่าระบบสองมิติหรือระบบความเค้นระนาบ ดังนั้นส่วนนี้จึงกล่าวถึงโฟโตอิลาสติซิตี้ในระบบความเค้นระนาบ สภาวะนี้เกิดขึ้นเมื่อความหนาของต้นแบบมีขนาดเล็กกว่ามิติในระนาบมาก ดังนั้นจึงสนใจเฉพาะความเค้นที่กระทำขนานกับระนาบของแบบจำลองเท่านั้น เนื่องจากส่วนประกอบความเค้นอื่นๆ เป็นศูนย์ การจัดเตรียมการทดลองจะแตกต่างกันไปในแต่ละการทดลอง โดยทั่วไปแล้วการจัดเตรียมพื้นฐานสองแบบที่ใช้คือ โพลาริสโคปแบบระนาบและโพลาริสโคปแบบวงกลม

หลักการทำงานของการทดลองสองมิติช่วยให้สามารถวัดการหน่วง ซึ่งสามารถแปลงเป็นความแตกต่างระหว่างความเค้นหลักแรกและความเค้นหลักที่สองและการวางแนวของพวกมันได้ เพื่อให้ได้ค่าของส่วนประกอบความเค้นแต่ละส่วนเพิ่มเติม จำเป็นต้องใช้เทคนิคที่เรียกว่าการแยกความเค้น^{[ 22 ]}มีการใช้วิธีการทางทฤษฎีและการทดลองหลายวิธีเพื่อให้ข้อมูลเพิ่มเติมในการแก้ปัญหาส่วนประกอบความเค้นแต่ละส่วน

ชุดอุปกรณ์ประกอบด้วยตัวกรองแสง เชิงเส้นสองตัว และแหล่งกำเนิดแสง แหล่งกำเนิดแสงสามารถปล่อยแสงเอกรงค์หรือแสงขาวก็ได้ ขึ้นอยู่กับการทดลอง ขั้นแรก แสงจะถูกส่งผ่านตัวกรองแสงตัวแรก ซึ่งจะแปลงแสงให้เป็นแสงโพลาไรซ์ระนาบ อุปกรณ์ถูกจัดวางในลักษณะที่แสงโพลาไรซ์ระนาบนี้จะผ่านไปยังชิ้นงานที่ได้รับแรงดึง แสงนี้จะติดตามทิศทางของแรงดึงหลัก ณ แต่ละจุดของชิ้นงาน จากนั้นแสงจะถูกส่งผ่านไปยังตัววิเคราะห์ และในที่สุดเราก็จะได้ลวดลายริ้วแสง

รูปแบบแถบการแทรกสอดในอุปกรณ์โพลาริสโคปแบบระนาบประกอบด้วยทั้งแถบไอโซโครมาติกและแถบไอโซคลินิก แถบไอโซคลินิกจะเปลี่ยนไปตามทิศทางการวางโพลาริสโคป ในขณะที่แถบไอโซโครมาติกจะไม่เปลี่ยนแปลง

ในการตั้งค่าโพลาไรสโคปแบบวงกลม จะมีการเพิ่ม แผ่นควอเตอร์เวฟ สอง แผ่นเข้าไปในชุดอุปกรณ์ทดลองของโพลาไรสโคปแบบระนาบ แผ่นควอเตอร์เวฟแผ่นแรกวางไว้ระหว่างตัวกรองโพลาไรซ์และตัวอย่าง และแผ่นควอเตอร์เวฟแผ่นที่สองวางไว้ระหว่างตัวอย่างและตัววิเคราะห์ ผลของการเพิ่มแผ่นควอเตอร์เวฟหลังจากตัวกรองโพลาไรซ์ด้านแหล่งกำเนิดแสงคือ เราจะได้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลมผ่านตัวอย่าง แผ่นควอเตอร์เวฟด้านตัววิเคราะห์จะแปลงสถานะโพลาไรซ์แบบวงกลมกลับไปเป็นเชิงเส้นก่อนที่แสงจะผ่านตัววิเคราะห์

ข้อได้เปรียบพื้นฐานของโพลาริสโคปแบบวงกลมเหนือโพลาริสโคปแบบระนาบคือ ในการตั้งค่าโพลาริสโคปแบบวงกลม เราจะได้เฉพาะค่าไอโซโครมาติกเท่านั้น ไม่ใช่ค่าไอโซคลินิก ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการแยกแยะระหว่างค่าไอโซคลินิกและค่าไอโซโครมาติก

• ตัวปรับสัญญาณอะคูสโตออปติก
• การหดตัวด้วยไฟฟ้า
• เมคาโนโครมิซึม
• ตัวปรับโฟโตอิลาสติก
• โพลาไรเมตรี

• หน้าเว็บของมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิลาสติซิตี้
• ห้องปฏิบัติการสำหรับการสร้างแบบจำลองทางกายภาพของโครงสร้างและโฟโตอิลาสติซิตี้ (มหาวิทยาลัยเทรนโต ประเทศอิตาลี)
• สร้างกล้องส่องดาวของคุณเอง