综述：用于光学透明材料残余应力分析的偏振成像技术：综述

《Optics & Laser Technology》：Polarization imaging for residual stress analysis in optically transparent materials: A review

偏振成像技术用于测量透明材料残余应力双折射的研究进展，探讨其原理、方法及在材料科学和光学工程中的应用与前景。

　　光致透明材料在多个科学和工业领域中具有重要的应用价值，因其独特的光学和机械性能而备受关注。这类材料广泛用于高性能传感器、非线性光学器件的制造，同时在激光技术、光学通信和光学信号处理中也发挥着关键作用。近年来，合成技术的进步使得材料的杂质含量减少、残余应力降低，从而提高了其应用的广泛性和可靠性。然而，尽管材料在制造过程中具有良好的性能，残余应力的存在仍然可能影响其后续应用效果，并在使用过程中导致变形或裂纹，进而影响设备的性能和寿命。因此，对透明材料中残余应力的测量和评估，成为优化材料性能、提升系统可靠性和实现非破坏性检测的关键环节。

在光学领域，透明材料如氟化钙（CaF?）因其在紫外波段的高透射率，被广泛用于制造紫外透镜和窗口，常见于天文望远镜和激光光学系统中。同样，硫化锌（ZnSe）和蓝宝石（Al?O?）因其优异的光学性能，常被用于制造窗口和棱镜。这些材料的高透射率和低吸收特性使其成为高功率激光系统中的理想选择。在传感技术方面，蓝宝石因其高硬度和良好的热稳定性，常用于制造高温压力传感器，应用于航空发动机和工业过程控制系统中。在非线性光学领域，透明晶体材料如磷酸二氢钾（KDP）和钇铝石榴石（YAG）因其高效的非线性光学性能，被广泛用于频率转换设备和参量振荡器的制造。这些设备在激光技术中起着重要作用，通过将激光频率转换为所需的波长，被应用于激光医学、材料加工和科学研究中。

此外，透明材料还用于制造高性能的光学调制器和偏振器，这些设备在高速光学通信和光学信号处理中至关重要。例如，利用铌酸锂（LiNbO?）的电光效应，可以制造出高速光学调制器，从而提高光学通信系统的传输速率和稳定性。在高功率激光领域，光学级金刚石晶体因其优异的光学和热性能，正发挥着越来越重要的作用。与其它拉曼晶体相比，金刚石晶体具有极高的热导率（>2000 W/m·K），较高的拉曼增益系数（约10 cm/GW @ 1 μm），以及特定的拉曼频率位移（1332 cm?1）。这些特性使得金刚石成为一种有效的拉曼介质，用于生成高效、多波长的拉曼激光。

然而，尽管这些材料在宏观上表现出良好的光学性能，其内部的残余应力仍然可能影响其光学行为。通常，透明材料在没有外部力的情况下，被认为是光学各向同性的，因此其折射率不会随光的极化方向而变化。然而，当残余应力存在时，应力诱导的双折射现象会发生，这种现象与材料内部的应力成线性关系，并对激光应用产生不利影响，因为它不能通过简单的晶体旋转来消除。残余应力在材料内部可能会引发诸如位错和裂纹等缺陷，并导致这些缺陷的移动或扩展，从而引起不必要的变形和组件失效，严重限制了设备的性能和可靠性。

单晶材料通常因其高度有序的原子排列而表现出优异的机械性能，但残余应力的存在却会影响其性能的评估、安全性和可靠性，同时影响后续应用的优化。残余应力的方向会直接影响基底的性能，并可能引起后续超精密加工参数设置和服务寿命等方面的缺陷，从而影响单晶设备的精度和使用寿命。例如，在非线性光学领域，金刚石中的拉曼增益对偏振的依赖性，以及高功率激光引起的双折射现象，都会影响Hansch-Couillaud频率稳定金刚石拉曼激光器的输出稳定性和单纵模性能。此外，双折射在高Q腔拉曼激光器中也起着重要作用，这种激光器会产生大量的去极化损耗，因此对双折射的精确测量和分析对于优化激光器性能至关重要。

因此，对光学透明材料中残余应力的测量和评估，成为优化材料性能、提升系统可靠性和实现非破坏性检测的关键。为了达到这一目标，研究人员提出了多种测量方法，包括微拉曼光谱、X射线衍射、中子衍射和偏振成像等。其中，偏振成像技术因其能够利用光的偏振特性，实现对材料内部应力分布的直观和准确测量，而成为近年来研究的重点之一。偏振成像技术通过分析光波与材料相互作用前后偏振状态的变化，提取材料表面的偏振特性信息，如极化率、偏振方位角、椭偏测量和旋转方向等，从而实现对材料内部应力分布的全面评估。

偏振成像技术在残余应力测量中的应用，具有诸多优势。首先，它能够提供高对比度和高分辨率的图像，使得材料内部的微小应力变化得以清晰展现。其次，该技术可以用于检测复杂场景和隐藏特征，特别是在无法直接观察材料内部结构的情况下，偏振成像能够揭示其内部的应力状态。此外，相较于传统的强度成像，偏振成像能够捕捉到光的偏振信息，从而提供更加丰富的材料特性数据。这些数据对于优化材料的加工工艺、提升其光学性能以及延长其使用寿命具有重要意义。

然而，目前的偏振成像技术仍然存在一定的局限性。例如，传统的偏振成像方法如偏振图像差分法（TDPI）和并行偏振成像（parallel polarization imaging）虽然已经相对成熟，但它们在动态测量方面存在不足，且无法检测圆偏振。相比之下，偏振敏感差分成像（PS-DHI）技术能够记录三维运动图像，并实现对样品偏振特性的定量三维重建和评估，具有更高的分辨率和更广泛的应用前景。然而，PS-DHI技术在应用过程中高度依赖于成像传感器芯片，其发展仍面临一定的挑战。因此，未来的研究方向应着重于提高偏振成像技术的动态测量能力，拓展其在不同偏振状态下的应用，并优化传感器芯片的性能，以提高整体系统的稳定性和可靠性。

综上所述，残余应力的测量和评估在光学透明材料的应用中具有重要地位。通过多种先进的测量方法，如微拉曼光谱、X射线衍射、中子衍射和偏振成像等，可以实现对材料内部应力分布的全面了解。特别是偏振成像技术，因其能够捕捉光的偏振信息，揭示材料表面和内部的结构信息，成为近年来研究的热点。随着技术的不断进步，偏振成像在残余应力测量中的应用将更加广泛，并为材料科学和光学工程的发展提供坚实的理论基础和实践支持。未来，随着对材料性能需求的不断提高，残余应力的测量和评估将成为优化材料设计、制造和使用的关键环节，进一步推动光学透明材料在高精度、高性能应用领域的进步。