Der elastooptische Koeffizient, häufig auch als Stress-optischer Koeffizient bezeichnet, beschreibt das Verhältnis zwischen mechanischer Spannung und der dadurch hervorgerufenen Doppelbrechung in einem transparenten Werkstoff. Seine Bestimmung ist für die Konstruktion optischer Bauteile, die Spannungsanalyse an Gläsern und Polymeren sowie die Modellbildung photoelastischer Messsysteme von Bedeutung. Der vorliegende Beitrag erläutert die Prüfverfahren für den elastooptischen Koeffizienten entlang einer durchgängigen Prüfabfolge: Zunächst werden die zu prüfenden Probenarten und die Probenvorbereitung behandelt, anschließend die Messmethoden und der Versuchsaufbau beschrieben. Darauf aufbauend werden die Kennwerte Empfindlichkeit, Linearität und Wiederholpräzision erläutert, die relevanten Prüfnormen und Akzeptanzkriterien eingeordnet sowie die Anwendungsfelder in der Werkstoff- und Glasprüfung zusammengetestellt.
Überblick
Der elastooptische Koeffizient verknüpft die in einem transparenten Festkörper wirkende Spannung mit der Phasendifferenz zwischen zwei senkrecht zueinander polarisierten Lichtwellen. Physikalisch beruht dieser Zusammenhang auf der spannungsinduzierten Änderung des Brechungsindex, die als Doppelbrechung messbar wird. Zur Bestimmung des Koeffizienten wird eine definierte mechanische Last aufgebracht und die resultierende optische Wegdifferenz polarimetrisch erfasst. Das Verhältnis aus optischer Wegdifferenz, Probendicke und Spannung ergibt den gesuchten Materialkennwert. Die Prüfung verlangt transparente, möglichst spannungsarme Proben sowie eine kalibrierte Messtechnik, da der Koeffizient typischerweise in kleinen Größenordnungen liegt. Eine sorgfältige Trennung von Last- und Eigenspannungseinflüssen ist Voraussetzung für belastbare Ergebnisse.
Probenarten und Probenvorbereitung
Geeignet sind prinzipiell alle transparenten Festkörper, insbesondere optische Gläser, transparente Thermoplaste, Elastomere sowie einkristalline Materialien. Die Proben werden meist als planparallele Platten, Rechteckstäbe oder Biegestäbe mit definierter Messlänge gefertigt. Vor der Prüfung sind die Dicken aller Messstellen mittels Mikrometerschraube oder Messuhr zu bestimmen, da die Probendicke direkt in die Auswertung eingeht. Oberflächenfehler, Lunker und Schichten beeinträchtigen die Polarisation; sie sind durch Polieren oder Reinigen mit geeignetem Lösungsmittel und fusselfreiem Tuch zu beseitigen. Bei thermoplastischen Proben verursacht die Verarbeitung oft Eigenspannungen, die vor der eigentlichen Messung durch Tempern unterhalb der Erweichungstemperatur abgebaut oder durch eine Nulldifferenzmessung erfasst werden sollten. Für jede Messreihe sind mehrere Proben bzw. Messpositionen vorzusehen.
Messmethoden und Versuchsaufbau
Der Standardaufbau besteht aus einer monochromatischen Lichtquelle, einem Polarisator, der belastbaren Probenhalterung im Strahlengang und einem Analysator mit Detektor oder Kamera. Im einfachsten Fall wird die Anordnung als Polarisationsmikroskop genutzt und die Gangunterschiedsdifferenz über Kompensatormessung, etwa mit einem Berek- oder Sénarmont-Kompensator, bestimmt. Alternativ erlaubt die Phasenverschiebungsmessung mit rotierendem Analysator oder das Phasenmodulationsverfahren eine automatisierte Erfassung der Doppelbrechung. Die mechanische Belastung erfolgt druck- oder biegesteif über eine kalibrierte Prüfkraft, die stufenweise gesteigert und jeweils nach Kraftschluss konstant gehalten wird. Zu jeder Laststufe wird die optische Wegdifferenz registriert. Temperatur und Wellenlänge sind zu dokumentieren, da der Koeffizient von beiden Einflussgrößen abhängt.
Kennwerte:
Empfindlichkeit, Linearität und Wiederholpräzision
Die Auswertung stellt die optische Wegdifferenz über der mechanischen Spannung dar. Aus der Steigung der Regression folgt der elastooptische Koeffizient, bezogen auf die Wellenlänge der Messung. Die Empfindlichkeit des Verfahrens wird durch das Auflösungsvermögen des Kompensators bzw. der Phasenmesseinheit sowie durch die Probendicke bestimmt; dickere Proben erzeugen bei gleicher Spannung größere Gangunterschiede. Die Linearität ist über das untersuchte Spannungsintervall zu verifizieren; Abweichungen an den Intervallrändern deuten auf viskoelastisches Verhalten oder unzulässig hohe Spannungen hin. Für die Wiederholpräzision sind mindestens drei bis fünf Messreihen an derselben Messstelle und an verschiedenen Proben durchzuführen und die Streuung der Einzelkoeffizienten als relative Standardabweichung anzugeben. Nullpunktverschiebungen zwischen den Laststufen sind gesondert auszuweisen.
Prüfnormen und Akzeptanzkriterien
Die Bestimmung der spannungsoptischen Eigenschaften ist in Normen für optisches Glas sowie in Werkstoffprüfnormen für Kunststoffe verankert. Auf internationaler Ebene liefern ISO- und ASTM-Reihen zur Spannungsoptik und zur Bestimmung der Doppelbrechung methodische Vorgaben, während produktspezifische Glas- und Lieferspezifikationen Grenzwerte für Spannungsdoppelbrechung bzw. den Koeffizienten festlegen. Als Kriterium dient häufig die relative Abweichung vom Nominalwert des Koeffizienten, ergänzt durch Anforderungen an Linearität und Wiederholpräzision der Messreihe. Das Prüflabor muss die Rückführbarkeit der Kraft- und Wegdifferenzmessung nachweisen und die Messunsicherheit im Prüfbericht angeben. Liegen Abweichungen außerhalb der Spezifikation, sind Messwiederholung mit veränderten Laststufen und eine Prüfung auf Eigenspannungsanteile durchzuführen.
Anwendungsgebiete
in Werkstoff- und Glasprüfung
In der optischen Fertigung dient der Koeffizient der Spannungsanalyse an Linsen, Prismen und Scheiben, da thermisch bedingte Eigenspannungen die Abbildungsqualität mindern. In der Glasindustrie wird er zur Interpretation spannungsoptischer Messungen an Behälterglas, Floatglas und Borosilikatglas herangezogen. Für transparente Kunststoffe erlaubt der Kennwert die Auslegung photoelastischer Modellversuche und die zerstörungsfreie Spannungsprüfung an Spritzgussbauteilen. In der Forschung wird er bei der Charakterisierung neuer optischer Materialien, etwa für Wellenleiter und Verkapselungsmaterialien, bestimmt. Bauaufsichtlich relevante Anwendungen umfassen die Spannungsermittlung an vorgespannten Gläsern, bei denen aus der gemessenen Doppelbrechung über den Koeffizienten auf die thermische Vorspannung geschlossen wird.
FAQ
Was enthält ein Prüfbericht zum elastooptischen Koeffizienten und wofür wird er genutzt?
Der Bericht dokumentiert Probenbezeichnung, Geometrie und Dicke, die Messwellenlänge, die Laststufen, die ermittelte Wegdifferenz-Spannungs-Beziehung sowie den berechneten Koeffizienten mit Messunsicherheit und relativer Standardabweichung. genutzt wird er zur Bewertung spannungsoptischer Eigenschaften, etwa bei der Qualifikation optischen Glases, transparenter Kunststoffe oder vorgespannter Gläser.
Wie läuft die Einsendung von Proben zur Bestimmung des elastooptischen Koeffizienten ab und was ist vorab zu klären?
Nach Anfrage und Angebot erfolgen Probeneinsendung, Prüfung und Berichterstattung. Vorab sind Probengeometrie, Materialtransparenz, mögliche Eigenspannungen, der interessierende Spannungs- und Temperaturbereich sowie die Zielwellenlänge mit dem Labor abzustimmen. Empfehlenswert ist die Übersendung mehrerer Proben, damit Wiederholmessungen an verschiedenen Messstellen möglich sind.
Welche
Faktoren beeinflussen die Kosten der Prüfung des elastooptischen Koeffizienten?
Kostentreibend sind die Probenanzahl und -vorbereitung einschließlich eventuellen Temperns, die gewählte Messmethode, etwa Kompensator- oder automatisierte Phasenmessung, die Anzahl der Laststufen sowie Temperatur- oder Wellenlängenvariationen. Zusätzliche Aufwendungen entstehen durch erweiterte Messunsicherheitsbetrachtung und die Prüfung kritischer Proben mit hoher Streuung.