各位朋友们，大家好。前面关于材料应力测试的介绍，我们已经推出了9期的系列文章进行了详尽分析。但是最近有粉丝想让我们对双折射法和拉曼法在应力测试方面的区别进行介绍，所以今天小薇将就这一问题进行详尽分析。

双折射应力测试和拉曼应力测试都是重要的材料内部应力无损检测技术，但它们基于不同的物理原理，各有优缺点，适用于不同的场景。接下来我们将从原理，优缺点和应用场景的不同进行详细说明。

一、 双折射法应力测试简介

原理：基于光弹性效应。当透明或半透明的各向同性材料（如玻璃、塑料）受到应力时，会表现出暂时的光学各向异性（双折射）。偏振光穿过受力材料时，会分解成两束振动方向相互垂直的线偏振光（即寻常光o光和非寻常光e光），它们在材料中的传播速度不同，产生相位差。通过偏振光分析仪（如偏光镜）观察，这种相位差表现为干涉条纹或颜色变化。应力的大小和方向与光程差（进而与条纹级数或颜色）直接相关。

优点：

1.全场可视化：最大的优势是能直观、实时地显示整个平面内的应力分布，提供应力方向和相对大小的全场图像（应力云图）。

2.速度快：对于透明样品，成像和定性分析非常快速，尤其适合在线检测或快速筛选。

3.设备相对简单、成本较低：基本设备（光源、偏振片、四分之一波片、相机）的成本远低于拉曼光谱仪。

4.无损：纯光学方法，不接触样品（除非需要特殊夹具加载）。

5.对表面要求较低：只要光线能透射过样品（或通过反射法），对样品表面的光学质量（如抛光）要求通常低于拉曼。

6.应力方向信息明确：条纹方向直接指示主应力方向。

7.适合动态测量：可以实时观察应力随载荷或时间的变化过程。

主要局限：

1.材料限制：主要适用于透明或半透明的光学各向同性材料（如玻璃、透明塑料、环氧树脂等）。不适用于金属、陶瓷（不透明）、高度结晶或不透明的材料。反射式光弹可以部分解决不透明材料的问题，但应用有限且复杂。

2.需要光弹常数：定量测量需要知道材料的应力光学常数，这个常数可能随材料、波长、温度变化，且获取并不总是容易。

3.深度信息有限：提供的是沿光程路径积分的应力信息，难以区分不同深度的应力分布（除非结合断层扫描技术）。

4.空间分辨率有限：受限于光学衍射极限和成像系统，通常比拉曼低。难以精确测量极小区域或陡峭应力梯度处的应力。

5.精度和灵敏度：对于非常小的应力或应力变化，灵敏度可能不如拉曼。定量精度受条纹判读、材料常数准确性等影响。

6.受温度影响：材料的光弹常数和双折射本身可能受温度影响。

7.应力分量：得到的是主应力差和方向，需要额外技术（如钻孔法、切片法）或复杂分析才能分离单个主应力分量。

二、 拉曼法应力测试简介

原理：基于拉曼散射的频移效应。激光照射到材料上，大部分光发生弹性散射（瑞利散射），极小部分发生非弹性散射（拉曼散射），其频率与入射光不同（斯托克斯和反斯托克斯线）。材料内部的应力会导致其晶格振动（声子）频率发生微小变化，反映在拉曼特征峰位的移动上。通过精确测量峰位的偏移量，并利用已知的**声子形变势**，可以计算出应力的大小（通常是单轴或双轴应力）。

优点：

1.材料普适性强：适用于极其广泛的材料，包括半导体（Si, Ge, GaAs等）、陶瓷、金属（表面或薄膜）、碳材料（石墨烯、碳纳米管、金刚石）、聚合物、生物材料等。只要材料有拉曼活性振动峰。

2.超高空间分辨率：主要优势之一。得益于激光聚焦（共聚焦显微镜），空间分辨率可达亚微米甚至纳米级别（取决于波长和物镜NA），是研究微区应力（如芯片结构、晶界、单个纳米线）的金标准。

3.高精度与灵敏度：现代光谱仪能精确测量峰位移动（可达0.01 cm⁻¹），结合已知的形变势常数，可实现高精度的定量应力测量（理论精度可达MPa甚至更高）。

4.深度分辨能力 (共聚焦)：共焦拉曼系统可提供一定的深度分辨能力，用于分析薄膜、多层结构或近表面区域的应力分布。

5.提供化学信息：同时获得材料的化学组成、相结构、结晶度等信息，这对于理解应力来源（如相变、掺杂）非常有价值。

6.非接触、微损：光学方法。高功率激光可能对某些敏感材料（如某些聚合物、生物样品）造成热损伤，但通常可通过降低功率避免。

7.可测应力分量：通过选择不同的偏振配置和测量不同振动模的频移，有潜力区分不同方向的应力分量（需要知道各模的形变势张量）。

主要局限：

1.点扫描、速度慢：最大的劣势是速度。要获得应力分布图，需要逐点扫描，耗时远长于双折射成像。全场拉曼成像技术正在发展，但速度、分辨率和信噪比仍有限。

2.设备昂贵且复杂：高分辨率拉曼光谱仪（尤其是共聚焦显微系统）价格昂贵，操作和维护相对复杂。

3.需要形变势常数：定量测量依赖于准确的声子形变势常数，这些常数需要事先通过标定实验（如已知应变下的测量）或理论计算获得，且可能随材料相、晶向、温度变化。这是准确测量的关键前提和挑战。

4.对样品表面敏感：信号强度和质量高度依赖于样品表面的光学质量（粗糙度、污染、荧光）。通常需要相对平整、清洁的表面。荧光背景会干扰信号。

5.穿透深度浅：激光在材料中的穿透深度有限（尤其对于吸收性材料），主要反映表面或近表面区域的应力（通常微米量级）。

6.热效应：激光聚焦可能引起局部升温，导致峰位移动（热效应），可能干扰应力测量，需要仔细控制功率和考虑热导率。

7.数据分析复杂：需要精确的峰位拟合、背景扣除，并考虑可能的多个峰重叠、应力梯度等因素。

三、总结对比表

8英寸SiC应力测试示例对比：

拉曼应力分布（单位Mpa）：

应力分布基本均匀，有轻微的中间拉应力低，周围拉应力高的趋势，差值约10MPa。

应力双折射图像：

应力双折射法无法分辨拉应力还是压应力，所以只能比较相对值。

应力双折射测得中间应力低，周围应力高，差值约10MPa，和拉曼法一致。

四、 如何选择这两类不同的方法进行应力测试呢？

这样的情况下，您可以选择选双折射：

你需要快速、直观地查看大面积透明材料（如玻璃、透明塑料）的整体应力分布、方向和应力集中区域。

成本是主要考虑因素。

需要实时监测应力变化（如加载过程）。

对空间分辨率要求不高（毫米到微米级足够）。

样品适合透射或反射光弹法。

如下的情况，您选择选拉曼：

你需要测量微米或纳米尺度的应力（如半导体器件、微结构、晶界、纳米材料）。

你的材料不透明或不是光学各向同性（如硅片、陶瓷、金属膜、石墨烯）。

需要高精度定量的应力数值。

同时需要了解材料的**化学或结构信息。

需要分析薄膜或多层结构中的应力分布（深度剖面）。

预算充足，且能获取或标定所需的声子形变势常数。

总结

双折射是宏观、全场、透明材料应力可视化的利器；而拉曼是微观、高分辨、多材料定量应力分析的尖端工具。两者互补性很强，根据具体的材料、尺度、精度要求和预算来选择最合适的方法，甚至在某些复杂问题中结合使用。

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