प्रकाश प्रत्यास्थता



फोटोइलास्टिसिटी यांत्रिक विरूपण के तहत किसी सामग्री के ऑप्टिकल गुणों में परिवर्तन का वर्णन करती है। यह सभी ढांकता हुआ की एक संपत्ति है और अक्सर किसी सामग्री में प्रयोगात्मक रूप से तनाव विश्लेषण के लिए उपयोग किया जाता है, जहां यह सामग्री में असंतोष (गणित) के आसपास तनाव वितरण की एक तस्वीर देता है। फोटोइलास्टिक प्रयोग (अनौपचारिक रूप से फोटोइलास्टिकिटी के रूप में भी जाना जाता है) किसी सामग्री में महत्वपूर्ण तनाव बिंदुओं को निर्धारित करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है, और अनियमित ज्यामिति में तनाव एकाग्रता को निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

इतिहास
फोटोइलास्टिक घटना की खोज सबसे पहले स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी डेविड ब्रूस्टर ने की थी, जिन्होंने तुरंत इसे तनाव-प्रेरित द्विअपवर्तन के रूप में पहचाना। उस निदान की पुष्टि ऑगस्टिन-जीन फ्रेस्नेल द्वारा प्रत्यक्ष अपवर्तन प्रयोग में की गई थी। प्रायोगिक ढाँचे बीसवीं सदी की शुरुआत में अर्नेस्ट जॉर्ज कोकर|ई के कार्यों के साथ विकसित किए गए थे। जी. कोकर और लुईस नेपोलियन जॉर्ज फ़िलोन|एल. लंदन विश्वविद्यालय के एन. जी. फिलॉन। कैम्ब्रिज प्रेस द्वारा 1930 में प्रकाशित उनकी पुस्तक ट्रीटीज़ ऑन फोटोएलास्टिसिटी, इस विषय पर एक मानक पाठ बन गई। 1930 और 1940 के बीच, इस विषय पर कई अन्य पुस्तकें प्रकाशित हुईं, जिनमें रूसी, जर्मन और फ्रेंच भाषा की पुस्तकें शामिल थीं। मैक्स एम. फ्रोच्ट ने इस क्षेत्र में क्लासिक दो खंडीय कृति, फोटोएलास्टिसिटी, प्रकाशित की। उसी समय, क्षेत्र में बहुत विकास हुआ - तकनीक में महान सुधार हासिल किए गए, और उपकरणों को सरल बनाया गया। प्रौद्योगिकी में सुधार के साथ, तनाव की त्रि-आयामी अवस्थाओं को निर्धारित करने के लिए फोटोइलास्टिक प्रयोगों का विस्तार किया गया। प्रायोगिक तकनीक में विकास के समानांतर, फोटोइलास्टिसिटी का पहला घटनात्मक विवरण 1890 में फ्रेडरिक कार्ल एल्विन पॉकेल्स द्वारा दिया गया था, हालाँकि यह लगभग एक सदी बाद नेल्सन और मेल्विन लैक्स द्वारा अपर्याप्त साबित हुआ चूंकि पॉकेल्स के विवरण में केवल सामग्री के ऑप्टिकल गुणों पर यांत्रिक तनाव के प्रभाव पर विचार किया गया था।

डिजिटल पोलारिस्कोप के आगमन के साथ - प्रकाश उत्सर्जक डायोड द्वारा संभव बनाया गया - लोड के तहत संरचनाओं की निरंतर निगरानी संभव हो गई। इससे गतिशील फोटोइलास्टिसिटी का विकास हुआ, जिसने सामग्रियों के भंग  जैसी जटिल घटनाओं के अध्ययन में बहुत योगदान दिया है।

अनुप्रयोग
फोटोइलास्टिसिटी का उपयोग विभिन्न प्रकार के तनाव विश्लेषणों और यहां तक ​​कि डिजाइन में नियमित उपयोग के लिए किया गया है, विशेष रूप से संख्यात्मक तरीकों के आगमन से पहले, जैसे कि परिमित तत्व या सीमा तत्व विधि। पोलारिस्कोपी का डिजिटलीकरण तेजी से छवि अधिग्रहण और डेटा प्रोसेसिंग को सक्षम बनाता है, जो इसके औद्योगिक अनुप्रयोगों को ग्लास जैसी सामग्रियों के लिए विनिर्माण प्रक्रिया की गुणवत्ता को नियंत्रित करने की अनुमति देता है। और पॉलिमर. दंत चिकित्सा दंत चिकित्सा सामग्री में तनाव का विश्लेषण करने के लिए फोटोइलास्टिसिटी का उपयोग करती है। चिनाई के भीतर अत्यधिक स्थानीय तनाव की स्थिति की जांच करने के लिए फोटोइलास्टिसिटी का सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है  या एक कठोर रेखा समावेशन (स्टिफ़नर, एंटीक्रैक) की निकटता में | एक लोचदार माध्यम में एम्बेडेड कठोर रेखा समावेशन (स्टिफ़नर)। पहले मामले में, ईंटों के बीच संपर्क के कारण समस्या अरैखिक है, जबकि बाद वाले मामले में लोचदार समाधान एकवचन है, जिससे संख्यात्मक तरीके सही परिणाम प्रदान करने में विफल हो सकते हैं। इन्हें फोटोइलास्टिक तकनीकों के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। उच्च गति फोटोग्राफी के साथ एकीकृत गतिशील फोटोइलास्टिसिटी का उपयोग सामग्रियों में फ्रैक्चर व्यवहार की जांच के लिए किया जाता है। फोटोइलास्टिसिटी प्रयोगों का एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग द्वि-सामग्री पायदानों के आसपास तनाव क्षेत्र का अध्ययन करना है। वेल्डेड या चिपकने वाली बंधुआ संरचनाओं जैसे कई इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में द्वि-सामग्री पायदान मौजूद हैं।

औपचारिक परिभाषा
एक रैखिक ढांकता हुआ के लिए व्युत्क्रम पारगम्यता टेंसर में परिवर्तन $$\Delta(\varepsilon^{-1})_{ij}$$ विरूपण (विस्थापन की प्रवणता) के संबंध में $$\partial_\ell u_k$$) द्वारा वर्णित है
 * $$ \Delta(\varepsilon^{-1})_{ij} = P_{ijk\ell} \partial_k u_\ell $$

कहाँ $$P_{ijk\ell}$$ चौथी श्रेणी का फोटोइलास्टिसिटी टेंसर है, $$u_\ell$$ संतुलन से रैखिक विस्थापन है, और $$\partial_l$$ कार्तीय निर्देशांक के संबंध में विभेदन को दर्शाता है $$x_l$$. आइसोट्रोपिक सामग्रियों के लिए, यह परिभाषा सरल हो जाती है
 * $$ \Delta(\varepsilon^{-1})_{ij} = p_{ijk\ell} s_{k\ell} $$

कहाँ $$p_{ijk\ell}$$ फोटोइलास्टिक टेंसर (फोटोइलास्टिक स्ट्रेन टेंसर) का सममित भाग है, और $$s_{k\ell}$$ अनंतिम तनाव सिद्धांत है। का एंटीसिमेट्रिक भाग $$P_{ijk\ell}$$ रोटो-ऑप्टिक टेंसर के रूप में जाना जाता है। किसी भी परिभाषा से, यह स्पष्ट है कि शरीर में विकृति ऑप्टिकल अनिसोट्रॉपी को प्रेरित कर सकती है, जो अन्यथा ऑप्टिकली आइसोट्रोपिक सामग्री को द्विअर्थीता प्रदर्शित करने का कारण बन सकती है। यद्यपि सममित फोटोइलास्टिक टेंसर को आमतौर पर यांत्रिक तनाव के संबंध में परिभाषित किया जाता है, हुक के नियम के संदर्भ में फोटोइलास्टिकिटी को व्यक्त करना भी संभव है।

प्रयोगात्मक सिद्धांत
प्रायोगिक प्रक्रिया द्विअपवर्तन की संपत्ति पर निर्भर करती है, जैसा कि कुछ पारदर्शी सामग्रियों द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। बायरफ़्रिन्जेंस एक ऐसी घटना है जिसमें किसी दिए गए पदार्थ से गुजरने वाली प्रकाश की किरण दो अपवर्तक सूचकांक का अनुभव करती है। अनेक प्रकाशीय क्रिस्टलों में द्विअपवर्तन (या दोहरा अपवर्तन) का गुण देखा जाता है। तनाव के अनुप्रयोग पर, फोटोइलास्टिक सामग्री द्विअपवर्तन की संपत्ति प्रदर्शित करती है, और सामग्री में प्रत्येक बिंदु पर अपवर्तक सूचकांक का परिमाण सीधे उस बिंदु पर तनाव की स्थिति से संबंधित होता है। अधिकतम कतरनी तनाव और उसके अभिविन्यास जैसी जानकारी पोलारिस्कोप नामक उपकरण के साथ द्विअपवर्तन का विश्लेषण करके उपलब्ध होती है।

जब विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक किरण एक फोटोइलास्टिक सामग्री से गुजरती है, तो इसके विद्युत चुम्बकीय तरंग घटक दो तनाव (यांत्रिकी) के साथ हल हो जाते हैं और प्रत्येक घटक द्विअपवर्तन के कारण एक अलग अपवर्तक सूचकांक का अनुभव करता है। अपवर्तक सूचकांकों में अंतर से दो घटकों के बीच सापेक्ष चरण (तरंगें) मंदता हो जाती है। हुक के नियम सामग्री से बने एक पतले नमूने को मानते हुए, जहां द्वि-आयामी फोटोलोच लागू होता है, सापेक्ष मंदता का परिमाण तनाव-ऑप्टिक कानून द्वारा दिया जाता है:
 * $$ \Delta = \frac{2\pi t} \lambda C ( \sigma_1 - \sigma_2) $$

जहां Δ प्रेरित मंदता है, C 'हैstress-optic coefficient, t नमूना मोटाई है, λ निर्वात तरंग दैर्ध्य है, और σ1 और पी2 क्रमशः पहला और दूसरा प्रमुख तनाव हैं। मंदता संचरित प्रकाश के ध्रुवीकरण को बदल देती है। पोलारिस्कोप नमूना पारित करने से पहले और बाद में प्रकाश तरंगों की विभिन्न ध्रुवीकरण स्थितियों को जोड़ता है। दो तरंगों के ऑप्टिकल हस्तक्षेप (तरंग प्रसार) के कारण, एक फ्रिंज पैटर्न प्रकट होता है। फ्रिंज क्रम N की संख्या को इस प्रकार दर्शाया गया है


 * $$ N = \frac \Delta {2\pi}$$

जो सापेक्ष मंदता पर निर्भर करता है। फ्रिंज पैटर्न का अध्ययन करके कोई भी सामग्री में विभिन्न बिंदुओं पर तनाव की स्थिति निर्धारित कर सकता है।

उन सामग्रियों के लिए जो फोटोइलास्टिक व्यवहार नहीं दिखाते हैं, तनाव वितरण का अध्ययन करना अभी भी संभव है। पहला कदम फोटोइलास्टिक सामग्री का उपयोग करके एक मॉडल बनाना है, जिसकी ज्यामिति जांच के तहत वास्तविक संरचना के समान है। फिर लोडिंग को उसी तरह से लागू किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि मॉडल में तनाव वितरण वास्तविक संरचना में तनाव के समान है।

आइसोक्लिनिक्स और आइसोक्रोमैटिक्स
आइसोक्लिनिक्स नमूने में उन बिंदुओं का लोकी है जिसके साथ प्रमुख तनाव एक ही दिशा में होते हैं।

आइसोक्रोमैटिक्स उन बिंदुओं का लोकी है जिसके साथ पहले और दूसरे प्रमुख तनाव में अंतर समान रहता है। इस प्रकार वे रेखाएँ हैं जो समान अधिकतम कतरनी तनाव परिमाण वाले बिंदुओं को जोड़ती हैं।

द्वि-आयामी फोटोलोच
फोटोइलास्टिसिटी तनाव की त्रि-आयामी और द्वि-आयामी दोनों स्थितियों का वर्णन कर सकती है। हालाँकि, त्रि-आयामी प्रणालियों में फोटोइलास्टिसिटी की जांच करना द्वि-आयामी या समतल-तनाव प्रणाली की तुलना में अधिक शामिल है। तो वर्तमान अनुभाग समतल तनाव प्रणाली में प्रकाश लोच से संबंधित है। यह स्थिति तब प्राप्त होती है जब प्रोटोटाइप की मोटाई विमान में आयामों की तुलना में बहुत छोटी होती है। इस प्रकार कोई केवल मॉडल के तल के समानांतर कार्य करने वाले तनावों से चिंतित है, क्योंकि अन्य तनाव घटक शून्य हैं। प्रयोगात्मक सेटअप प्रयोग-दर-प्रयोग भिन्न-भिन्न होता है। उपयोग किए जाने वाले दो बुनियादी प्रकार के सेटअप हैं प्लेन पोलारिस्कोप और सर्कुलर पोलारिस्कोप।

द्वि-आयामी प्रयोग का कार्य सिद्धांत मंदता के माप की अनुमति देता है, जिसे पहले और दूसरे प्रमुख तनाव और उनके अभिविन्यास के बीच अंतर में परिवर्तित किया जा सकता है। प्रत्येक तनाव घटक के मूल्यों को और अधिक प्राप्त करने के लिए, तनाव-पृथक्करण नामक एक तकनीक की आवश्यकता होती है। व्यक्तिगत तनाव घटकों को हल करने के लिए अतिरिक्त जानकारी प्रदान करने के लिए कई सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक तरीकों का उपयोग किया जाता है।

प्लेन पोलारिस्कोप सेटअप
सेटअप में दो रैखिक ध्रुवीकरणकर्ता और एक प्रकाश स्रोत शामिल हैं। प्रयोग के आधार पर प्रकाश स्रोत या तो मोनोक्रोमैटिक प्रकाश या सफेद प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है। सबसे पहले प्रकाश को पहले polarizer  से गुजारा जाता है जो प्रकाश को समतल ध्रुवीकृत प्रकाश में परिवर्तित करता है। उपकरण को इस तरह से स्थापित किया गया है कि यह समतल ध्रुवीकृत प्रकाश तनावग्रस्त नमूने से होकर गुजरता है। यह प्रकाश नमूने के प्रत्येक बिंदु पर, उस बिंदु पर मुख्य तनाव की दिशा का अनुसरण करता है। फिर प्रकाश को विश्लेषक से गुजारा जाता है और अंततः हमें फ्रिंज पैटर्न प्राप्त होता है।

समतल पोलारिस्कोप सेटअप में फ्रिंज पैटर्न में आइसोक्रोमैटिक्स और आइसोक्लिनिक्स दोनों शामिल होते हैं। आइसोक्रोमैटिक्स पोलारिस्कोप के अभिविन्यास के साथ बदलता है जबकि आइसोक्रोमैटिक्स में कोई बदलाव नहीं होता है।



वृत्ताकार पोलारिस्कोप सेटअप
एक गोलाकार पोलारिस्कोप सेटअप में प्लेन पोलारिस्कोप के प्रायोगिक सेटअप में दो क्वार्टर- तरंग थाली ें जोड़ी जाती हैं। पहली क्वार्टर-वेव प्लेट को पोलराइज़र और नमूने के बीच में रखा जाता है और दूसरी क्वार्टर-वेव प्लेट को नमूने और विश्लेषक के बीच में रखा जाता है। सोर्स-साइड पोलराइज़र के बाद क्वार्टर-वेव प्लेट जोड़ने का प्रभाव यह होता है कि हमें नमूने से गुजरते हुए गोलाकार ध्रुवीकरण मिलता है। विश्लेषक-साइड क्वार्टर-वेव प्लेट विश्लेषक के माध्यम से प्रकाश गुजरने से पहले गोलाकार ध्रुवीकरण स्थिति को वापस रैखिक में परिवर्तित कर देती है।

समतल पोलारिस्कोप की तुलना में वृत्ताकार पोलारिस्कोप का मूल लाभ यह है कि वृत्ताकार पोलारिस्कोप सेटअप में हमें केवल आइसोक्रोमैटिक्स मिलते हैं, आइसोक्लिनिक्स नहीं। इससे आइसोक्लिनिक्स और आइसोक्रोमैटिक्स के बीच अंतर करने की समस्या खत्म हो जाती है।

यह भी देखें

 * ध्वनिक-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर
 * इलेक्ट्रोस्ट्रिक्शन
 * मैकेनोक्रोमिज़्म
 * फोटोइलास्टिक मॉड्यूलेटर
 * ध्रुवनमापन

बाहरी संबंध

 * University of Cambridge Page on Photoelasticity.
 * Laboratory for Physical Modeling of Structures and Photoelasticity (University of Trento, Italy)
 * Build your own polariscope