反射偏振光显微镜的原理及在材料研究中的应用

反射偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用 一、偏振光的基础知识一自然光和偏振光光是一种电磁波属于横波振动方向与传播方向垂直。一切实际的光源如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。这些光都是大量原子、分子发光的总和。虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致但各个原子和分子发出的振动方向也不同这种变化频率极快因此自然光是各个原子或分子发光的总和可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。自然光在窗过某些物质经过反射、折射、吸收后电磁波的振动哥以被限制在一个方向上其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。二直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光1.直线偏振光直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内所以这偏振光又叫作平面偏振光。正对光的传播方向看去这种光的振动方向是一条直线因此又叫直线偏振光或线偏振光。2.圆偏振光和椭圆偏振光1光的双折射现象和晶体的光轴当一束光线射入各向异性的晶体中时要分裂为两束沿不同方向传播的挑线这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。这两束光线之一恒遵守光的折射定律在改变入射方向时传播速度不发生变化这条光线称为寻常光线用o表示另一束光线不遵守折射定律当入射光线方向变化时它的传播速度也随之变化光的折射率不同这束光称为非常光线用e来表示。在各向异性晶体中存在有某些特殊方向在这些方向上不发生双折射寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同这些方向称为晶体的光轴有一个光轴的晶体叫一轴晶有两个光轴的晶体叫二轴晶。对于二轴晶双折射后的两束光线均为非常为光线。2波晶片波晶片简称波片可用来改变或检验光的偏振情况。当自然光沿一轴晶光轴入射时不发生双折射现象。如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播但传播速度和折射率不同且传播速度相差最大。如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片这时晶片表面与光轴平持这样制得的晶片叫波晶片。当偏振光垂直于波片光轴入射时在波片内形成传播方向相同但传播速度不同的o光和e光。如果波片越厚o光和e光线波波长的整数倍这种波片叫全波片。依此类推还有半波片和1/4波片等等。3圆偏振光和椭圆偏振光的形成一束自然光以垂直于一轴晶的光轴方向入射所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。因为自然光是由光源中的不同分子和原子产生的没有固定的位相差所以不发生干涉。但是当一束单色偏振光通过双折射物质后所产生的两束偏振光是可以相干的。相当于两个互相垂直的同周期的振动的合成。当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时产生两束偏振光o光和e光。由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。O光和e光的相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。设No、Ne分别为o光和e光的折射率d为晶片的厚度所产生的相位差为Δφ。则。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当Δφ为π/2的偶数倍时可产生直线偏振光当Δφ为π/2的奇数倍时可产生圆偏振光当Δφ不是π/2的整数倍时均可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆椭圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个椭圆。圆偏振光和椭圆偏振光在每一瞬间只有一个振动方向所以仍属偏振光。如图1-2所示。3.起偏振镜和检偏振镜偏振光可用尼科尔棱镜和偏振片得到。尼科耳棱镜是由方解石晶体做成。图1-3中a为方解石的双折射现象b为尼科耳棱镜的主截面图。取长度约三倍于厚度的方解石晶体两端的天然而原来与底边成71°的角经研磨后成68°角然后将晶体剖开成两块直角棱镜再用加拿大树胶

将剖面粘合成一长方柱形棱镜。将侧面CN涂黑就制成了尼科耳棱镜。加拿大树胶为光性均质体对于黄绿光的折射率n1.540这个折射率恰好在方解石对这种颜色的o光的折射率No1.6583与平行于CN面的该种颜色的e光的折射率Ne1.5159之间。当一束平行于CN面的黄绿自然光由第一块棱镜的AC面入射在方解石内部发生双投射现象时分成为o光和e光。由于o光射到加拿大树胶的胶合面上的入射角约为76°超过了树胶与方解石对o光的临界角69°会发生全反射被涂黑的CN面吸收。E光折射后方向仍近近似与CN面平行方解石对这一方向上的非常光线的折射率比树胶的折射率小所以不会发生会反射而穿过树胶层进入第二块棱镜然后从MN面上射出而获得一否偏振光。其振动面在棱镜的主截面内在图3b中用短线表示。尼科尔棱镜的优点是对各色可见光透明度都很高并能够均匀完全起偏。但天然方解石价格昂贵制造比较困难所以最常用的是偏振片。偏振片是一种使自然光变为偏振光的人造透明薄片由于面积大成本低而被广泛应用。自然光射入某些晶体时可以产生振动方向互相垂直的两束直线偏振光同时将其中一束强列吸收另一束通过晶体的这种性能叫晶体的二色性。用具有二色性的晶体制造的偏振片可用来产生偏振光。例如电气石晶体能够强烈吸收寻常光线1mm厚的电气石晶体即可把寻常光线全部吸收而让非常光线通过产生一束非常光线的偏振光。过碘硫酸奎宁也是一种二色性极强的晶体0.1mm厚的薄膜就足以使自然变成直线偏振光。另外一种偏振片是用聚乙烯醇膜来制造的。将聚乙烯醇的分子拉伸成为线性结构平行排列则其薄膜只允许平行分子排列方向振动的光通过而产生直线偏振光。在偏光显微镜中能产生偏振光的偏振片叫起偏振镜另外在起偏振镜后面还有一个检偏振镜或叫分析器如图1-4所示。当两个偏振镜振动轴平行时起偏振镜A产生的偏振光可以完全通过B检偏镜当A、B振动轴成一定角度时A产生的偏振光只有部分能通过检偏镜B而当A与B的振动轴垂直时A产生的偏振光完全被B阻挡产生消光现象。如果是圆偏振光用检偏振镜检查时不发生消光现象光的强度不发生变化。如果是椭圆偏振光用检偏振镜检查量不发生消光现象但光的强度要发生变化当B的振动轴与椭圆长轴重合时光的强度最大与椭圆的短轴重合时光的强度最小。二、偏振光的反射原理偏振光在光性均质体表面上的反射遵循反射定律在各个方向上的反射率都相同。偏振光在光性非均质体表面上的反射在晶粒的不同的位向上反射率不同光的反射率是指反射光强度与入射光强度的比值。设起偏振镜的振动方向为PP检偏振镜的振动方向为AA偏振光在光性非均质体的光轴方向上的反射率为R垂直于光轴方向上的反射率为SR≠SRS为光性均质体的反射。设R S如图1-5所示一束光经起偏振镜后得到振幅为F的PP方向振动的偏振光入射到光性非均质体表面上振幅为F的偏振光分解为平行于光轴和垂直于光轴方向上的两个分量。对于光性均质体R-S0I0。转动载物台一周360°在目镜看到黑暗的全消光现象。对光性非均质体R-S≠0转动载物台一周360°当转过的θ角为0°90°180°270°时sin2θ0产生消光现象当θ角为45°135°225°315°时sin2θ1此时光线最强θ角为其他角度时显微组织的亮度在上两种情况之间。因此在转动晶体一圈360°中将观察到四次明亮和四次消光即出现四明四暗现象。有时由于试样不是十分平滑可能会发生光线的漫射看到的不是完全黑暗的颜色而是灰色。但这种漫射光的强度不随载物台的转动而发生变化。三、偏振光装置的调整及使用反光偏光显微镜也叫矿相显微镜。在一般大型显微镜光路中只要加入两偏振片即可即在入射光路中加入一个起偏振片在观察镜中加入一个检偏振片就可以实现偏振光照明。除了起偏振镜和检偏振镜外有时还加入一个灵

敏色片用来检验椭圆偏振光并获得色偏振如图1-6所示。一起偏振镜位置的调整起偏镜一般安装在可以转动的圆框内借助手柄转动调节调节的目的是为了使起偏振镜出来的偏振光动面水平以保证垂直照明器平面玻璃反射进入物镜的偏振光强度最大且仍为直线偏振光。调整方法是将经过抛光而未经腐蚀的不锈钢试样光性均质体放在载物台上除去检偏振镜只装起偏振镜从目镜内观察聚焦后试样磨面上反射光的强度转动起偏振镜反射光强度发生明暗变化当反射光最强时就是起偏振镜振动轴的正确位置。二检偏振镜位置的调整起偏振镜位置调整好后装入检偏振镜调节检偏振镜的位置当在目镜中观察到最暗的消光现象时就是检偏振镜与偏振镜正交的位置。在实际观察中常将检偏振镜作一个小角度的偏转以增加显微组织的衬度。其偏转的角度由刻度盘上的刻度指示出来。若将检偏振镜在正交位置转动90°则两偏振镜振动轴平行这时和一般光线下照明的效果相同。许多金相显微镜在出厂时已经把起偏振镜或偏振镜的振动轴的方向固定好只要调节另一个偏振镜的位置就可以了。三物台中心位置的调整利用偏振光鉴别物相时经常需要将载物台作360°旋转为使观察目标在载物台旋围时不离开视域在使用前必须调节载物台的机械中心与显微镜的光学系统主轴重合。一般是通过载物台上的对中螺钉进行调整。四偏振光照明下的色彩色偏振以上都是讨论在单色偏振光照明下的情况如果考虑到偏振光波长的影响即用白色偏振光照明会产生色彩。在金相显微镜中进行正交偏振光的观察时在光程中插入灵敏色片目前多用λ5760nm的全波片后各向异性的金属不同晶粒会出现不同的颜色。观察各向同性金属时不加入灵敏色片也会有不同颜色但色彩不丰富。加入全波片后色彩变得鲜艳。转动载物台或灵敏色片晶粒的颜色随之变化这主要是由于偏振光干涉的结果。偏光显微镜也和一般显微镜照明一样分为明场照明和暗场照明两种照明方式。四、应用举例一材料显微组织的显示1.各向异性材料组织的显示根据偏振光的反射原理在各向异性的金属内部由于各晶粒的位向不同干涉后的偏窆獾恼穸较虻钠嵌炔煌谡坏钠窆庀略蚩梢韵允境霾煌牧炼取＞哂型炼鹊木Я９庵嵋幌巴咏愿菥Я５拿靼党潭然箍梢耘卸暇Я５奈幌颉６愿飨蛞煨缘慕鹗裟ッ婢坠夂蟛桓淳涂梢钥吹矫靼挡煌木ЯＵ庖坏愣阅迅闯銮逦橹牟牧侠此凳鞘钟欣姆治鐾揪丁＠缜蚰淖橹械氖粲诹降阏笫歉飨蛞煨缘奈镏试谕皇蛑芯哂行矶嗖煌幌虻氖ЯＵ庑┦ЯＴ谄窆庀驴上允静煌牧炼却佣直娉鍪Я５姆轿弧⑶蜃春痛笮 Ｈ缤?-7a所示。在一般光照射下只能看到黑暗的石墨球不能分辨石墨的晶粒。如图1-7b所示。2.各向同性材料组织的显示偏振光在各向同性材料表面发生反射其振动方向一般不发生偏转在正交的偏振镜下可看到黑韶关的消光现象。但是金属一般有很强的反射本领光线在试样磨面上的反射强度与光线的入射角及波长有关。对平行于光的入射面和垂直于光的入射面的光线的反射也有差别。图1-8表示了铜对光的反射强度与入射角的关系。其中R//与δ//代表了振动面与入射面平行的光的反射系数和相位差。代表了振动面与入射面垂直的反射系数和相位差。从图中可以看出光线直射时入射角等于0两个振动面上的光反射系数相等相位差为0光的振动方向不发生变化即产生消光现象。当入射角从0°到90°变化时反射系数发生变化可以通过正交的偏振镜而看到明暗不同的晶粒。利用上述可以对各向同性的材料进行深腐蚀露出一定的原子排列面。例如铝在深腐蚀后可露出原子最密排列的111面这些晶面位向不同故偏振光斜射时入射角度不同两分量的相位差不同因而能看到不同亮度的晶粒。图1-9表示了各向同性材

料表面反射光相位差随入射角变化的情况。二非金属夹杂物的鉴定1.夹杂物各向同性与各向异性的鉴别夹杂物按光学性质可分为各向异同性和各几异性两大类这两类夹杂物可在偏振光下鉴别。表1给出了钢中常见夹杂物的性能和特征。表2给出了在暗场及偏振光下系统鉴定夹杂物程序表。各向同性的夹杂物在正交偏振光下看到黑暗的消光现象在转动载物台一周360°时其亮度不发生变化。各向异性的夹杂物在正交偏振光下不发生消光现象在转动载物台一周360°时会看到四次消光和四次最亮的现象。对某些弱各向异性的夹杂物可使检偏振镜转动一个小的角度θ在偏振镜下完全正交下观察。在转动载物台时弱各向异性的夹杂物出现两次消光和两次最亮的现象。2.夹杂物的透明度及固有色彩的显示在非金属夹杂物中不少是透明并带有色彩的但一般显微镜明场照明时光线透过夹杂物并在与金属基体的交界面处反射出来夹杂物一般比较细小其反射光与基体的反射光混淆在一起因此不能分辨出夹杂物的透明度及固有色彩。在正交的偏振光下金属基体为各向同性反射光被正交的偏振镜阻挡呈黑暗的消光现象。而夹杂物处的反射光由于华侨入射的结果而能透过正交的偏振镜从而能够显示出夹杂物的本来面目。3.黑十字特征各向同性的球形透明夹杂物在正交偏振光下会呈现黑十字现象。这是由于透明夹杂物的规则外形所决定的。因为夹杂物为球状偏振光射到夹杂物与基体交界处被反射出来相当于偏振光斜射到晶体表面反射光出现相位差别改变了其振动方向能够通过正交的检偏振镜。而与偏振光的振动方向平行或垂直的两个入射面不改变其振动方向反射光则不能通过正交的检偏振镜观察到的是黑暗的消光现象使透明的球形夹杂物出现黑十字特征。当球形夹杂物的外形遭到破坏后黑十字特征也随之消失。图1-10为钢中球形SiO2夹杂物。