第五章 反光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用

1、第五章 反光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用5-1 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

2、。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。如图5-1所示。图5-1 自然光与偏振光 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

3、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

4、，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

5、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。则。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当为/2的偶数倍时可产生直线偏振光；当为/2的奇数倍时，可产生圆偏振光；当不是/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5-2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5

6、-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n=1.540，这个折射率恰好在方解石对这种颜色的o光的折射率No=1.6583与平行于CN面的该种颜色的e光的折射率Ne=1.5159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

7、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3(b)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

8、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。图5-2 椭圆偏振光的形成图5-3 方解石的双折射现象及尼科尔棱镜（a） 方解石的双折射现象 (b) 尼科尔棱镜的主截面图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

9、后面还有一个检偏振镜(或叫分析器)，如图5-4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。图5-4 直线偏振光分析5-2 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

10、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S，RS(R=S为光性均质体的反射)。设RS，如图5-5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，设光轴与PP方向的夹角图5-5 正交偏光下，直线偏振光的分解与叠加为，则： 反射后由于两个方向上反射率不同，平行于光轴方向的分量的反射光为： 垂直于光轴方向的分量的

11、反射光为：两个分量叠加，设叠加后的振幅为A (1)振幅为A的偏振光不再是PP的振动方向，而是转过一个角度，叠加后的偏振光有一个分量(I+)可以通过与起偏振镜振动方向垂直(或正交)的检偏振镜，则： I+=Asin (2)上式经变换可知： (3)公式推导过程如下： (4)从(4)式得到 (5) (6) (7)将(5)和(6)代入(7)式得到： 在(3)式中，后项sin2与晶体性能无关，只与转动载物台的操作有关，前项与晶体性能有关。对于光性均质体，R-S=0，I+=0。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-S0，转动载物台一周(360)，当转过的角为0，90，18

12、0，270时，sin2=0，产生消光现象；当角为45，135，225，315时，sin2=1，此时光线最强；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。5-3 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

13、片，用来检验椭圆偏振光，并获得色偏振(如图5-6所示)。图5-6 金相显微镜的偏振光装置示意图 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

14、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

15、)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=5760nm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。5-4 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

16、涉后的偏振光的振动方向的偏转角度不同，在正交的偏振光下则可以显示出不同的亮度。具有同样亮度的晶粒光轴一席话同接近，所以根据晶粒的明暗程度还可以判断晶粒的位向。对各向异性的金属磨面经抛光后不腐蚀就可以看到明暗不同的晶粒，这一点对难腐蚀出清晰组织的材料来说，是十分有利的分析途径。例如，球墨铸铁的组织中的石墨属于六方点阵，是各向异性的物质，在同一石墨球中具有许多不同位向的石墨晶粒，这些石墨晶粒在偏振光下可显示不同的亮度，从而分辨出石墨晶粒的方位、球状和大小。如图5-7(a)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5-7(b)所示。图5-7 球墨铸铁的显微组织（a）30偏光照

17、片 （b）明场照片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5-8表示了铜对光的反射强度与入射角的关系。其中R/与/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

18、以通过正交的偏振镜而看到明暗不同的晶粒。图5-8 铜对光的反射 图5-9 两种偏光不同入射角相位差（a）入射角和反射系数关系（b）入射角和反射光的位相关系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5-9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