自上个世纪60年代以来偏光技术得到了飞速的发展,其应用渗透到与光学技术相关的各个学科领域。偏光器件作为偏光技术发展的基础,也迅速地由原来的几种发展到几十种,而且有不少专用偏光器件问世。其中,晶体偏光棱镜以其优良的性能成为发展的重点。晶体偏光棱镜在使用的过程中,通常要受到温度场的影响,主要体现在面形和折射率两个方面,虽然变化很小,但足以影响光在晶体中的传播,从而影响器件的光学性能。本课题以天然晶体冰洲石为例,利用有限元分析方法研究其温度特性,为晶体偏光棱镜的设计和不同温度下的使用提供理论参考。全文概括起来包括以下几方面内容:第一章绪论部分,主要介绍了偏光器件和偏光技术的发展概况,以及偏光器件的温度效应,并对进行本课题的目的和意义进行了说明。第二章,首先介绍了冰洲石晶体热膨胀性质的各向异性,通过冰洲石晶体的主热膨胀系数张量,推导出冰洲石晶体任意方向热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向;然后,通过线性插值的方法得到不同波长对应的折射率及其双折射率温度系数;最后,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响。第三章,首先介绍了有限元分析计算的思路和方法,及其发展的概况;其次,系统地介绍了ANSYS应用软件的热分析功能;另外,对ANSYS软件进行晶体材料热分析的步骤进行了总结和归纳。第四章,首先对晶体材料的热变形进行数学建模,理论上给出位移、应力、应变之间的关系;然后,应用ANSYS软件对冰洲石晶体进行几何建模,利用其强大的热分析功能对所建模型进行热分析。利用有限元软件ANSYS分析计算了冰洲石晶体的热形变,给出热膨胀系数有正有负的冰洲石晶体热形变的直观图示;结合第二章冰洲石晶体热膨胀的理论计算,验证了所建立的有限元模型的合理性,得出了冰洲石晶体的零膨胀方向;分别给出冰洲石晶体平行晶体光轴方向和垂直晶体光轴方向热应力的分布规律与数值;最后,在本文提出的有限元模型的基础上分析了响应时间、温差、空气流动速度三项实验条件对冰洲石晶体温度和热应力的影响,结果表明:对冰洲石晶体进行加热或冷却时,应控制好温度梯度以及空气流动速度,温度梯度过大冰洲石晶体瞬间就会被破坏。本文的创新点:首先,理论上推导出冰洲石晶体任意方向的热膨胀系数的表达式,及其零膨胀方向,针对温度对冰洲石晶体线性膨胀和折射率两个方面的影响,推导出温度对冰洲石晶体光程差的影响;其次,引进有限元方法和ANSYS分析工具,对冰洲石晶体的热变形建模,为微观形变的测量开辟了新的途径;最后,利用ANSYS工具,对影响冰洲石晶体热学性质的三个因素进行模拟分析。本课题的意义:一方面,冰洲石晶体热学性质的研究为晶体偏光器件的优化设计和合理使用提供理论参考数据;另一方面,针对关于微观形变的实验方法及设备不够完善,对微观应力应变的测量也存在局限的现实,引进有限元方法和ANSYS工具研究晶体的微小变形,将具有深远的意义。