雷射投影光斑

雷射投影光斑

　　雷射投影光斑法又稱為焦散術，有很多光學方法例如全像、班點、疊紋、干涉、光彈等，都可用來探討破壞力學中裂縫(Crack)應力集中的現象。由於破裂前的裂縫面是一個高應變區(Highly strained region)，因此解析起來總是存在一些難以克服的困擾[2-3]。疊紋的方法通常不是裂縫尖端問題良好的解決方法，因其裂縫尖端邊緣的條紋密度太高而不能清楚辨別。其它如全像、斑點，和雷射投影光斑方法應用在破裂面上也各有不同應用範圍。到目前為止，儘管雷射投影光斑術的應用並未在破壞力學的領域盛行，但學者都一致認定解決破裂面應力變化的方法仍以雷射投影光斑術最可行。

　　裂縫尖端有一個塑性變形區，此變形區其中倒底怎樣變化，肉眼並看不見，然而使用雷射投影光斑法，卻能讓裂縫尖端的潛在變化無所遁形，透過實際操作施力架，並觀察雷射投影光斑的尺寸變化，即可瞭解裂縫成長情形，從裂縫成長第I期時，就可見到雷射投影光斑很快的形成一個尺寸大小，進入裂縫成長第II期時，隨著施力繼續增加，但雷射投影光斑的成長速度趨於遲緩，到了裂縫成長第III期時，材料很快的快速破裂。

　　雷射光斑術之焦散曲線可由透鏡聚焦之光線追蹤圖（圖4）來說明。焦散原意為透鏡像差的一種情形，一個透鏡理論上能夠聚焦於一點，但事實上當不同高度之平行光線入射時，並不能真正匯集於一點，此方面之差異量，稱為球面像差，而焦散即指此時光線的發散現象而言。

圖4透鏡聚焦之光線追蹤圖

　　雷射投影光斑曲線的實驗光學方法，對評估在靜態或動態破裂力學之裂縫尖端應力集中及應力強度提供一個強而有力的工具[4-5]。在力學及材料方面，裂縫尖端及材料斷裂之過程，有所謂應力集中特性及波松比等現象，亦即試片裂縫尖端表面內凹的情形會比其他的地方來得嚴重。由於雷射光之直線方向行進及高亮度之特性，當一個試片裂縫尖端被平行光束照射時，其反射光或折射光行經路線會受壓力場的影響而變動，通常變為不平行，試片裂縫尖端表面傾斜產生幾何形狀不連續，反射光線或折射光線會形成封閉狀態，而在空間中成為強光三度空間的包絡面[6]。當此包絡面投射於一屏風時，一個明亮的曲線即所謂焦散曲線（包圍著一黑暗區域或一陰暗點）即會產生，簡而言之，當裂縫尖端附近的變形區其厚度及折射率變化有不連續的現象時，將使雷射所發出來的光柱產生曲折(如圖5），而出現了焦散法的圖形。

圖5 裂縫尖端附近的變形區變化而出現了焦散圖形

　　此焦散曲線的長寬高大小與此試片裂縫尖端幾何狀況及不連續位置的距離有關，故其可用作決定應力集中及應力強度因子[7-8]，我們可以使用光線追蹤的方式描繪出在不同的施力情況其焦散曲線的圖形（圖 6），此法特點在於簡單及不需用複雜的工具，並可用於決定在等向或不等向性的彈性薄板，單獨或成排的裂縫，互相交叉的裂縫、Ｖ型薄平板或殼[9-12]。雷射投影光斑技術是破壞力學中對裂縫尖端強而有力的研究方法，在裂縫尖端我們感興趣的地方是在於：裂縫如何開始產生，而它又如何成長。