摘要:在智能手機、平板電腦等電子產(chǎn)品領(lǐng)域，化學鋼化超薄玻璃的需求不斷增加，而玻璃是易碎 材料，要提高或保持強度和抗破碎能力，必須正確認識應(yīng)力分布。如何'有效的測量化學鋼化玻璃 的表面壓應(yīng)力(CS)和壓應(yīng)力層厚度(DOL),是當下一個迫切需要解決的問題。散亂光彈性法是 利用通過玻璃內(nèi)部應(yīng)力的雙折射來改變極化激光束的延遲，并且散亂光的強度隨著激光束的延 遲的變化而改變，最后通過偏振光光路上因激光束的延遲而出現(xiàn)的光程差和偏振特性來計算表 面壓應(yīng)力和壓應(yīng)力層厚度。對散亂光彈性法測量化學鋼化玻璃的表面應(yīng)力的理論依據(jù)、測量技 術(shù)等進行了介紹。
關(guān)鍵詞：化學鋼化玻璃；散亂光彈性;表面應(yīng)力；應(yīng)力層深度
前言
目前，玻璃材料及其制品被廣泛地用于建筑、日用、醫(yī)療、化學、電子、儀表、核工程等領(lǐng)域。但由于未強 化處理過的玻璃本身是一種脆的、易碎的物質(zhì)，雖然理論上強度很高,但是由于受本身表面微裂紋的影響，玻 璃的實際強度僅僅是其理論強度的幾百分之一，導(dǎo)致玻璃在其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中仍然受到很大限制�；瘜W 鋼化玻璃的出現(xiàn)在一定程度上很好的解決了玻璃脆性問題，但隨著化學鋼化玻璃厚度降低與強度的提升，以 及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用都要有一個精確的鋼化性能指標，所以如何準確表征化學鋼化性能的表面壓應(yīng)力 （CS）和壓應(yīng)力層厚度（DOL）大小是當下一個重要的問題。
化學鋼化玻璃中的表面壓縮應(yīng)力（CS）與玻璃的彎曲強度相關(guān),CS決定了玻璃抗壓、耐摔的機械強度， 并且應(yīng)力壓縮層厚度（DOL）與通過刮擦和風化的強度降低相關(guān),DOL的增大有利于提高玻璃的力學穩(wěn)定 性o因此，表面壓縮應(yīng)力和壓縮層厚度對于鋼化玻璃的質(zhì)量和過程控制非常重要。
當前，薄切片光測彈性法、光學切片技術(shù)等具有破壞性的鋼化玻璃表面應(yīng)力測試手段已經(jīng)不再使用 了。光波導(dǎo)效應(yīng)是針對壓應(yīng)力值和壓應(yīng)力層深度的一種有效測量方法，其原理是利用光束在有應(yīng)力的玻 璃中形成雙折射，產(chǎn)生2條速度不同、振動方向互相垂直的偏振光，再通過觀察到的條紋計算得出。光波導(dǎo) 效應(yīng)對須含量豐富的離子交換層敏感度較高，可以較為精確測量表面壓應(yīng)力的大小,但是目前對于多次 化學離子交換混合熔鹽條件下制備的鋼化玻璃而言,光波導(dǎo)效應(yīng)對Na*含量豐富的玻璃的離子交換層不夠 敏感,且對具有多個峰值的壓應(yīng)力層的深度測量也不夠準確,所以不再適應(yīng)于目前多次離子交換的化學 鋼化玻璃的應(yīng)力測量。
1散亂光光彈性技術(shù)
散亂光彈性法是一個比較知名的技術(shù),是根據(jù)Rayleigh散 射原理提出的測量透明物體內(nèi)部應(yīng)力的一種方法。當在透 明模型的表面施加一個壓力時,使其進入應(yīng)變狀態(tài),這時輸入的 線性偏振光束會改變其偏振態(tài)，部分被發(fā)射到外圍成為散亂光。 散亂光具有與原始光束在其分散位置處的偏振特性對應(yīng)的角分 布。
例如，當原來的光束是線性偏振光時,從電場的振動方向觀 察，散射較弱。從垂直于電場的振動方向觀察，散亂光較強，光 程差的大小和主次應(yīng)力差成比例。因此，當從一定方向觀察光 束的路徑時,可以通過來自該路徑的散亂光的強度變化來估計 偏振特性的變化和原始光束光程差的變化。光路長度的光程差
變化與作用在光路上的應(yīng)力有關(guān)66],即：光路上的應(yīng)力=
構(gòu)成該模型的材料需要具有適當?shù)墓馍⑸湫再|(zhì)。對于玻璃制品，散亂光光彈性測量可以全面直觀的觀 察整個玻璃應(yīng)力層的分布狀況，特別是在測量殘余應(yīng)力方面有它獨特的優(yōu)點。
 
2實驗觀測方法
在鋼化玻璃板厚度方向上的應(yīng)力分布相對于厚度中心是對稱的，并且呈拋物線狀，中心的張力絕對值約 為表面壓應(yīng)力的40%，因此，可以測量內(nèi)部應(yīng)力并用于控制表面應(yīng)力。對于實用型玻璃，散亂光通常很弱。 比如，水銀燈被用作單色光源時，想要觀察到散亂光是非常困難的。從理論上講，很難觀察到用單位數(shù)毫 瓦級輸出的氮気氣體激光器的單一數(shù)字信號的輸出。然而，對于經(jīng)過棱鏡拋光質(zhì)量控制過程的光學玻璃來 說，則可以觀察到非常明亮的散亂光。此外，散亂光在很大程度上取決于玻璃的組成和均勻性。由于激 光器可以發(fā)出線性偏振光，所以特別適合進行光彈性實驗。然而,使用短波長的光照射玻璃時，玻璃通常 發(fā)射熒光，在這種情況下，只使用帶有干涉濾波器的初始波長的光是非常必要的。散亂光實驗觀測裝置如圖 2所示。
3測量方法與表征
為了將光射入玻璃樣品中并使光沿所需方向前進，且能從所需方向觀察，可以用折射率接近樣品玻璃的 光學玻璃制成光入射棱鏡并將其放在樣品上。在許多情況下，它可以防止光的傾斜反射并使其更容易看到， 同樣要避免因傾斜入射引起的偏振狀態(tài)的改變對觀察造成不利影響。所以在棱鏡和樣品玻璃之間的間隙中 注入折射率接近于玻璃的浸液是非常有必要的。圖2a表示用于從樣品玻璃端面入光的棱鏡,并觀察與光路 垂直方向的散亂光。而當偏振光以相對于表面的低角度進入時,棱鏡也是不可或缺的（圖2b）。其次，僅通 過觀察散亂光的強度，不能判斷光路差是否隨光路長度單調(diào)增加、減小或組合增減。為了做出該判斷，可預(yù) 先給入射的偏振光提供一個光程差，且該光程差是可改變的。
3.1光程差單調(diào)變化
當預(yù)先知道光程差單調(diào)增加或減小時，可以獲得散亂光最小強度的位置，并且最小強度散亂光的兩個相 鄰位置之間的長度也可以得到。通過以下公式計算垂直于光路的應(yīng)力：光彈性常數(shù)x具有最小強度的兩個相鄰位置的長度 ' '
例如：當光波長為500 nm時，最小散亂光強度的兩個相鄰位置之間的長度為1 cm,玻璃的光彈性常數(shù) 為2.5（ nm/cm）/（kg/cm²），則可推算出實驗壓力為2.0 kg/mn己表面壓應(yīng)力約為5 kg/mm²₀
圖3是偏振光從化學鋼化玻璃端面的厚度中心進入的情況下的一個觀察示范。.
圖4中可看到通過棱鏡觀察到的散亂光強度分布（A）與通過在棱鏡內(nèi)表面和平板玻璃下表面上兩次反 '射而看到的散亂光強度分布（B）^［l0］。這兩個光的圖像可被視為是從彼此成90。角的觀察點觀察到的。
3.2光程差非單調(diào)變化
在鋼化玻璃制品中，光通常從具有壓應(yīng)力的位置前進到具有拉伸應(yīng)力的位置（如圖5A）。確定壓應(yīng)力部 分和拉應(yīng)力部分之間的邊界在實際使用中非常重要，因為它決定了壓應(yīng)力層的厚度。在壓應(yīng)力層和拉應(yīng)力 層之間的邊界處，光程差沿光路顯示最大值或最小值（如圖5B）¹¹⁰¹。使線性偏振光預(yù)先透過水晶楔（巴比諾
G—玻璃板P—棱鏡S—遮光罩L—激光機O一光學單元 圖3通過從化學強化玻璃端面入射偏振光觀察散亂光
A-直接觀察到的散亂光B—通過兩次反射觀察到的散亂光 圖4觀察散亂光
補償器）并給出光程差（圖2b）,然后移動水晶楔，改變給定光程差值。當給定光程差在起始位置被增加時，散亂光強度的最 小值沿光程差減小的方向移動；當給定光程差在起始位置被減 小時,散亂光強度的最小值沿光程差增加的方向移動。在光程 差最大或最小的位置處且給定光程差在起始位置被改變時，散 射光強度的最小值似乎從兩側(cè)聚集或向兩側(cè)分離（如圖 5C）^[1,]_O這個位置是壓應(yīng)力部分和拉應(yīng)力部分之間的邊界，是 應(yīng)力為零的地方，也是壓應(yīng)力層的底部。此外，在相鄰的散射 光強度最小值間隔窄的位置處，應(yīng)力的絕對值大相反，在 應(yīng)力不為零的位置，亮部和暗部變長。
綜合以上觀察結(jié)果，玻璃制品中的應(yīng)力分布是可以根據(jù)需 要測量到的，圖6是一塊狀化學鋼化玻璃觀測實例。
根據(jù)在起始位置給予激光光程差的方法觀察，點n和n，是壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間的邊界。為了使光從表 面進入，并從側(cè)面觀察散亂光，需要使用光學玻璃棱鏡。同樣在這種情況下，存在能直接觀察到的散亂光強 度分布a和通過兩次反射觀察到的強度分布b_o通過輕微移動水晶楔觀察，進而可以確定點n和n，是壓應(yīng) 力和拉應(yīng)力之間的邊界。
4結(jié)語
散亂光彈性技術(shù)是適用于多次離子交換、復(fù)雜壓應(yīng)力層化學鋼化玻璃的一種表面應(yīng)力測試方法，并且進 行測量時無損耗，節(jié)省時間和人力。相對于目前應(yīng)用最多的光波導(dǎo)技術(shù)而言，有以下明顯優(yōu)勢：
(1) 適用性廣,不依賴于玻璃表面內(nèi)折射率的分布；
(2) 檢測的精度高，并且可以對彎曲玻璃、不規(guī)則形狀的玻璃進行表面應(yīng)力檢測；
(3) 空間分辨率高，在測量化學鋼化玻璃產(chǎn)品的過程中，激光光斑的直徑約10 fim,易于對光程差的觀 察與調(diào)整，保持產(chǎn)品在更高水平的一致性，減少測量誤差；
(4) 對玻璃應(yīng)力層深度敏感度高，可以精確的檢測玻璃應(yīng)力層深度。
 
其不足之處在于對玻璃表面最表層應(yīng)力大小檢測不夠精確，這是由于激光的光斑直徑有限，并且也容易 受到玻璃表面狀況的影響,如刮痕、灰塵、污漬等M對于目前化學鋼玻璃應(yīng)力的測試,可以結(jié)合多種測量方 法，如將光波導(dǎo)效應(yīng)測量化學鋼化玻璃表面最大應(yīng)力值CS和散亂光彈性技術(shù)測量化學鋼化玻璃的最大應(yīng) 力層深度DOL這兩種方法相結(jié)合,從而更加精確表征玻璃的鋼化性能指標。