非常有用的固体物理实验方法课第3章_光学显微分析

1、 3.1 3.1 概述概述 1625年，人门第一次把一个放大用的工具命名为显微镜，直到1655 年才开始用在科学上。 1665） 1665 列文虎克和他的显微镜（约1680） 18世纪单筒显微镜 18世纪双筒显微镜 19世纪双筒显微镜 光学显微镜 3、 透镜的像差 光的折射特点： （1）介质中光传播的速度越大，则该介质的折射率越小； （2）光在真空中的传播速度最大。 （3）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散） 对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。 a b AB N I i r II 21 sin sin n r i r i 光在传播过程中，如果遇到障碍物，其传播方向会发生变化，

2、 能绕过障碍物的边缘而继续前进而发生衍射现象。 S S1 S2 S1 S2 S1 S2 能分辨能分辨 恰能分辨恰能分辨 不能分辨不能分辨 瑞利判据（瑞利判据（ReyleighReyleighs criterions criterion）：）： S1 S2 I 对玻璃透镜，取最大孔径半角a = 7075，在物方介质为油的情况下，n 1.5， 则其数值孔径n sina =1.25 1.35，上式可简化为 如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠当斑中心间距等于Airy 斑 半径时，强度峰谷值相差19，人眼可以分辨。 2 1 0 r 可见光的波长范围是390nm-760nm, nmr200

3、0 sin 61. 0 0 n r 单色像差（球差、像场弯曲、像散） 色差 P 象 P 透镜 物 P 光轴 球差球差 Rs M R r s s Rs越小，透镜的分辨率越高 透镜 物 P 光轴 色差色差 紫红 LD MMM ff 目物 目物 A B 物镜 A B 目镜 A B D L f目 L A B 物镜 目镜 A1 B1 B3 A3 f2 D 修改图 机械和支架系统 滤光片 组成 光学放大系统 照明系统 物镜 光源 聚光镜 目镜 光学显微镜基本结构光学显微镜基本结构： 1. 照明灯照明灯 2. 聚光器聚光器 3. 载物台和切片夹载物台和切片夹 4. 推进器推进器 5. 物镜物镜 6. 粗细螺

4、旋粗细螺旋 7. 目镜目镜 8. 照相机等接口照相机等接口 物镜是光学显微镜成像系统中决定其分辨率（分辨本 领）的最关键部件。 色差校正使可见光中红光和蓝光聚焦于一点，而黄绿光则聚焦于 另一点。能够消除光谱中红光和蓝光所形成的色差。这种物镜与 目镜配用时可达到消色差物镜所要求的光学性能。 等。 light source） 聚光镜（聚光镜（condensercondenser） 光源射出的光线通过聚光器汇聚成光锥照射标本，增强明 度和造成适宜的光锥角度，提高物镜的分辨力。聚光器由聚光 镜和虹彩光圈组成。调节聚光镜的高度和虹彩光圈的大小，可 得到适当的光照和清晰的图像。 滤光片（滤光片（filte

5、rfilter） 选用适当的滤光片，可以提高分辨力，增加影像的反差和 清晰度。滤光片有紫、青、蓝、绿、黄、橙、红等各种颜色 的，分别透过不同波长的可见光，可根据标本本身的颜色， 在聚光器下加相应的滤光片。 取样取样 镶样镶样 磨光磨光 抛光抛光 显示显示 磨 制 究竟选用何种方法，则视零件的大小、性质、究竟选用何种方法，则视零件的大小、性质、 材质和热处理工艺等具体条件而定，但截取的试样材质和热处理工艺等具体条件而定，但截取的试样 必须保证观察面的组织不受到影响。必须保证观察面的组织不受到影响。 截取金相试样的方法很多，方法和种类如图所示。截取金相试样的方法很多，方法和种类如图所示。 金相试样

6、切割机金相试样切割机 1 1、取样、取样 试样截取方法 气割 机械法线切割 砂轮切割锯 机床打断 车床铣床 刨床 2 2、镶样、镶样 小试样的夹持方法小试样的夹持方法 （a）薄片试样；）薄片试样； （b）块状试样）块状试样 一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状极 不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。 热镶样机热镶样机 热镶嵌热镶嵌-镶嵌材料有热固性塑料(如电木粉)、热塑性塑料 (如聚氯乙烯) 。电木粉不透明，有各种颜色，比较硬，试样 不易倒角，但耐腐蚀性能比较差；聚氯乙烯为半透明或透明 的，耐腐蚀性能好，但较软。镶样均需用专门的镶样机

7、加压 加热成型。 冷镶嵌冷镶嵌-对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易发 生塑性变形的软金属)，以及微裂纹的试样。环氧树脂、牙托 粉镶嵌法对粉末金属，陶瓷多孔性试样特别适用。 3 3、磨光、磨光 手工磨光是把砂纸平置于玻璃板上，然后将试手工磨光是把砂纸平置于玻璃板上，然后将试 样用手轻压在砂纸上作同前平推、提起、拉回，再样用手轻压在砂纸上作同前平推、提起、拉回，再 向前平推三个基本动作，直到这一道磨光工序符合向前平推三个基本动作，直到这一道磨光工序符合 要求为止。要求为止。 （2）细磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。 （1）粗磨的目的是整平试样，并磨成合适的形状,

8、通常在砂论机上进行。 试样经过切削磨光后变形层厚度变化示意图 金相砂纸的规格金相砂纸的规格 水磨砂纸的编号、粒度号与粒度尺寸水磨砂纸的编号、粒度号与粒度尺寸 4、抛光、抛光 机械抛光是当前应用最广的抛光方法，它是在专门的金相试样抛 光机上进行的。细磨后的试样经冲洗（避免粗磨粒带入抛光工序）后，将 其磨面轻轻地置于抛光盘上进行抛光。 抛光用的织物可用粘结剂粘在抛抛光用的织物可用粘结剂粘在抛 光盘表面，也可用套圈箍紧在抛光盘光盘表面，也可用套圈箍紧在抛光盘 上。织物的作用是保存抛光剂和摩擦上。织物的作用是保存抛光剂和摩擦 磨面使之光亮。磨面使之光亮。 抛光粉有不同粒度，分成抛光粉有不同粒度，分成W

9、7、 W5、W3直到直到W0.25等。等。W7表示最表示最 粗磨粒直径为粗磨粒直径为7m；如此类推。；如此类推。 抛光机抛光机 抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜面。金相 试样的抛光基本分为：机械抛光、电解抛光、化学抛光三类。 电解抛光装置与电解光原理 (a) 电解抛光装置 （b）电解抛光原理 4、显示、显示 常用的组织的显示方法： 电解侵蚀-一般针对两相（或合金）的侵蚀。 化学侵蚀-一般针对纯金属或均匀单相合金的侵蚀。 试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物 等。要对试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。 纯金属及单相合金化学腐蚀示意图 由于晶界上

10、原子排列不规则，具有较 高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹 沟，使组织显示出来， 金属材料常用的腐蚀剂金属材料常用的腐蚀剂 c E E H H 光波是横波，光波是横波，E E、HH、v v三者都是垂直的。可引起人的视三者都是垂直的。可引起人的视 觉的只有觉的只有 E E 矢量，矢量，故称故称E E 矢量矢量为为光矢量。光矢量。 播播 传传 方方 向向 振振 动动 面面 面面 向向 播播 动动 振振 方方 传传 线偏振光的获得线偏振光的获得 线偏振光线偏振光 1 1、用偏振片获得线偏振光、用偏振片获得线偏振光 偏振化方向偏振化方向 Z 偏振片偏振片 2、用双折射法获得偏振光、用双折射法获得偏振光

11、O O光（寻常光）光（寻常光）遵守折射定律遵守折射定律 e e光（非常光）光（非常光）不遵守折射定律不遵守折射定律 A C B o e D e o 原理：原理：把自然光分成寻常把自然光分成寻常 光和非寻常光，然后利用全光和非寻常光，然后利用全 反射把寻常光反射到棱镜侧反射把寻常光反射到棱镜侧 壁上，只让非寻常光通过，壁上，只让非寻常光通过， 从而获得一束振动方向固定从而获得一束振动方向固定 的线偏振光。的线偏振光。 90 48 68 光轴光轴 加拿大胶加拿大胶 658.1 o n 468.1 e n 55.1n 光e 光o 对于对于o光光nn o 产生全反射产生全反射 对于对于e光光nn e 可以透过，则获得偏振光。可以透过，则获得偏振光。 尼克尔棱镜比较贵尼克尔棱镜比较贵, ,多用于高级光学实验。多用于高级光学实验。 加工后将两块方解石用加工后将两块方解石用 加拿大胶粘合起来，加拿大胶粘合起来， 布儒斯特角布儒斯特角 线偏振光线偏振光 3、用反射和折射法获得偏振光、用反射和折射法获得偏振光 2 i 0 2 90 iib bb ininincossinsin 2221 1 2 n n tgi b 布儒斯特定律布儒斯特定律 2 n 1 i 1 n 2 n b i 1 n 1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动 手轮，5