会聚线偏光的干涉及偏光显微镜-蒋孝文(共9页)

1、会聚(huj)线偏光的干涉及偏光显微镜的探究(tnji)蒋孝文华东师范大学 物理系 11级02班摘要(zhiyo)：线偏振光的干涉一节在光的偏振与干涉之间建立了巧妙的联系。本文将对此进一步探究，通过对实验装置的改进，分析会聚线偏振光的干涉，同时粗略地谈淡偏光显微镜的工作原理。引言：在5.9.1线偏振光干涉的装置中，光线是平行入射并且平行出射，但在视场中仅能看到均匀的亮暗变化（单色光入射）或彩色的变换（白光入射），而我们在原实验装置的基础上稍作改进就得到了由会聚线偏振光干涉形成的十字形明暗相间的同心圆图像，下文将简要阐述图像形成过程以及该原理在偏光显微镜上的应用。原理：1线偏振光干涉：偏振光的干

2、涉与自然光的干涉相同，两束偏振光的干涉也必须满足频率相同、振动方向基本相同以及有恒定的相位差这几个基本条件。典型的偏振光干涉装置是在两块共轴的偏振片P1 和P2 之间放一块厚度为d的玻片，其光轴沿y轴，如图所示。在这一装置中，玻片同时起分解光束和相位延迟的作用。它将入射的线偏振光分解成振动方向互相垂直的两束线偏振光，这两束光射出玻片时，具有一定的相位延迟。干涉装置中的第一块偏振片P1 的作用是把自然光转变为线偏振光。第二块偏振片P2 的作用是把两束光的振动引导到相同的方向上，从而使经P2 出射的两束光满足干涉条件。下面讨论上述装置最后的出射光强。自然光通过偏振片P1后，变成振幅为A1的线偏振光

3、，再通过与玻片，振幅为： AO = A1 sin,Ae =A1 cos最后(zuhu)通过P2 ，两束光的振幅(zhnf)分别为：A2O = A1 sinsin， A2e = A1coscos若两束光之间的相位差为，则合强度(qingd)为：I = A2 =A12 cos2 （-）- sin2sin2sin2 2 0 0=+ = + 以上装置形成的只有明暗变化或者色彩变化，若要视场中出现干涉条纹，必须插入一块厚度不均匀的玻片。2 会聚线偏振光的干涉：有了上述线偏振光干涉的基础，我们进一步讨论会聚线偏振光干涉的情况。如图所示，取一块光轴垂直于表面的玻片，放置在两个正交的尼科尔棱镜之间，并使玻片的

4、光轴平行于透镜的主轴，用透镜L2使由尼科尔棱镜N1产生的线偏振光会聚在拨片上，在用透镜L3使通玻片后的光成平行光，并通过尼科尔棱镜N2。则经过透镜L4放大后，在光屏M上出现以投射主轴为中心的明暗相同的同心圆环和当N2主截面平行于N1主截面时的暗十字形。一般来说，对于同一入射角i1，在晶体内o光和e光的折射角i2o和i2e不等。通过厚度d的玻片后，它们之间的相位差为： 式中no为o光的折射率，为c/的比值(bzh)，e光的速度是随着e光传播方向而改变的，但一般所用汇聚光线(gungxin)的顶角不大，故可近似(jn s)认为不变，。当我们检验折射率差值很小的晶体，可以近似认为i2o=i2e，用i

5、2来表示，于是上面公式可以改写成：由此可见，相位差完全由i2来决定。下图是玻片的后表面。光由P点到达这表面上某一圆周ACBD上个点时，折射角i2都相等，因此折射出来的o光和e光之间相位差都相等。对应于会聚光束中不同的入射角i2，时，通过检偏器N2后的光强I=0，干涉条纹将是一组同心暗环，当 时，干涉条纹将是一组同心亮环。3、偏光显微镜偏光干涉出现彩色的现象称为显色偏振或色偏振。显色偏振是检验双折射现象极为灵敏的方法。当折射率差值n0-ne很小时，用直接观察o光和e光的方法，很难确定是否有双折射存在。但是只要把这种物质薄片放在两块偏振片之间，用白光照射，观察是否有彩色出现即可鉴定是否存在双折射，

6、偏光显微镜就是根据显色偏振原理制成的。1. 偏光显微镜的构成偏光显微镜的类型较多，但它们的构造基本相似。下面以XPT7型偏光显微镜（图2.13）为例介绍其基本构成：镜臂：呈弓形，其下端与镜座相联，上部装有镜筒。 1、目镜(mjng)，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手(dng shu)轮，5、微调手轮(shu ln)，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜 反光镜：是一个拥有平、凹两面的小圆镜，用于把光反射到显微镜的光学系统中去。当进行低倍研究时，需要的光量不大，可用平面镜，当进行高倍研究时，使用凹镜使光少

7、许聚敛，可以增加视域的亮度。 下偏光镜：位于反光镜之上、从反光镜反射来的自然光，通过下偏光镜后，即成为振动方向固定的偏光，通常用PP代表下偏光镜的振动方向。下偏光镜可以转动，以便调节其振动方向。锁光圈：在下偏光镜之上。可以自由开合，用以控制进入视域的光量。 聚光镜：在锁光圈之上。它是一个小凸透镜，可以把下偏光镜透出的偏光聚敛而成锥形偏光。聚光镜可以自由安上或放下。载物台：是一个可以转动的圆形平台。边缘有刻度（0-360），附有游标尺，读出的角度可精确至1/10度。同时配有固定螺丝，用以固定物台。物台中央有圆孔，是光线的通道。物台上有一对弹簧夹，用以夹持光片。镜筒：为长的圆筒形，安装在镜臂上。转

8、动镜臂上的粗动螺丝或微动螺丝可用以调节(tioji)焦距。镜筒上端装有目镜，下端装有物镜，中间有试板孔、上偏光镜和勃氏镜。物镜(wjng)：由l-5组复式透镜(tujng)组成的。其下端的透镜称前透镜，上端的透镜称后透镜。前透镜愈小，镜头愈长，其放大倍数愈大。每台显微镜附有3-7个不同放大倍数的物镜。每个物镜上刻有放大倍数、数值孔径（N.A）、机械筒长、盖玻璃厚度等。数值孔径表征了物镜的聚光能力，放大倍数越高的物镜其数值孔径越大，而对于同一放大倍数的物镜，数值孔径越大则分辨率越高。目镜：由两片平凸透镜组成，目镜中可放置十字丝、目镜方格网或分度尺等。显微镜的总放大倍数为目镜放大倍数与物镜放大倍数

9、的乘积。上偏光镜：其构造及作用与下偏光镜相同，但其振动方向（以AA表示）与下偏光镜振动方向（以PP表示）垂直。上偏光镜可以自由推入或拉出。勃氏镜：位于目镜与上偏光镜之间，是一个小的凸透镜，根据需要可推入或拉出。此外，除了以上一些主要部件外，偏光显微镜还有一些其他附件，如用于定量分析的物台微尺、机械台和电动求积仪，用于晶体光性鉴定的石膏试板、云母试板、石英楔补色器等。利用偏光显微镜的上述部件可以组合成单偏光、正交偏光、锥光等光学分析系统，用来鉴定晶体的光学性质。2. 正交偏光镜下的晶体光学性质 所谓正交偏光镜，就是下偏光镜和上偏光镜联合使用，并且两偏光镜的振动面处于互相垂直位置（图2.17）。为

10、了观察方便，要使两偏光镜的振动方向严格与目镜“东西”、“南北”十字丝一致。在正交偏光镜下观察时，入射光是近于平行的光束，故又称为平行正交偏光镜。 在正交偏光镜的物台上，如不放任何晶体(jngt)光片时（图2.17），其视域是黑暗的。因为光通过(tnggu)下偏光镜，其振动方向被限制在下偏光镜的振动面PP内，当PP方向振动(zhndng)的光到达上偏光镜AA时，由于两振动方向互相垂直，光无法通过上偏光镜，所以视域是黑暗的。 若在正交偏光镜下的物台上放置晶体光片，由于晶体的性质和切片方向不同，将出现消光和干涉等光学现象。（1） 消光现象 晶体在正交镜下呈现黑暗的现象，称为消光现象。消光现象包括全消

11、光和四次消光两种。 在正交镜下放均质体任意方向切片和非均质体垂直光轴的切片（图2.18a），由于这两种切片的光率体切面皆为圆切面，光波垂直这种切片入射时，不发生双折射，也不改变入射光的振动方向。 所以自下偏光镜透出的振动方向平行PP的偏光，通过晶体后，不改变原来的振动方向并与上偏光镜的振动方向AA垂直，故不能透出上偏光镜，使视域黑暗。旋转物台360，消光现象不改变。这种消光现象称为全消光。非晶体、等轴晶系的晶体和非均质晶体垂直光轴的切片均为全消光。 在正交镜下放上非均质体其它方向的切片，由于这种切片的光率体切面(qimin)均为椭圆，当椭圆切面的长、短半径与上、下偏光镜的振动方向（PP、AA）

12、一致(yzh)时（图2.18b），从下偏光镜透出的振动(zhndng)方向平行PP的偏光，可以透过晶体而不改变原来的振动方向。当它到达上偏光镜时，因PP与AA垂直，透不过上偏光镜而使晶体消光。而在其他位置时则总有部分光透过上偏光镜。旋转物台360，晶体切片上的光率体椭圆半径与上、下偏光镜的振动方向有四次平行的机会（即消光位），故晶体出现四次消光现象。 由此可知，在正交镜下呈现全消光的晶体，可能是均质体，也可能是非均质体垂直光轴的切片。而呈现四次消光的，一定是非均质体晶体。所以四次消光是非均质体的特征。 非均质体垂直光轴以外的任意方向切片，不在消光位时，则将发生干涉作用。（2） 干涉现象 当非均

13、质体任意方向(fngxing)切片上的光率体椭圆半径K1、K2与上、下偏光镜的振动(zhndng)方向AA、PP斜交(xi jio)时（图2.19），自然光透过下偏光镜以振动方向平行PP的偏光进入晶体切片后，发生双折射，分解形成振动方向平行K1、K2的两种偏光。K1、K2的折射率不等（NK1NK2），在切片中的传播速度也不相同（K1为慢光，K2为快光），因此它们透出晶体切片的时间必有先后，于是就产生了光程差，以R表示。如式2.4所示。当 K1、K2透过切片在空气中传播时，由于传播速度相同，所以它们在到达上偏光镜之前，光程差保持不变。R=d（Ng-Np） (2.4) 式中：R为光程差，d为晶体厚

14、度，Ng、Np为晶体光率体切面的主折射率。光程差通常以nm为单位表示。光程差的大小取决于晶体的双折射率和晶体的厚度。 K1、K2两条偏光的振动方向与上偏光镜的振动方向（AA）斜交，故当K1、K2先后进入上偏光镜时再度分解，形成K1、K1”和K2、K2”四条偏光。其中K1”和K2”的振动方向垂直于上偏光镜的振动方向AA，不能透过上偏光镜；而K1和K2的振动方向平行于上偏光镜的振动方向AA，因此全部透过。由于K1和K2均起源于射入晶体之前的那束偏振光，两者振动频率相同，均在AA平面内振动，且存在光程差，故将会导致光的干涉效应。K1、K2两束光相叠加后的合成光波振幅为： 式中，OB值为入射光的强度；

15、是晶体切片上光率体椭圆半径与偏光镜振动方向间的夹角，转动物台可以改变角；是所用单色光的波长。 当晶体切片(qi pin)内的光波振动方向与上、下偏光镜的振动方向平行时，=0，A+ =0，晶体(jngt)切片处于消光位。旋转物台一周，当=0、90、180、270时，均出现四次消光(xio un)现象。而当=45、135、225和315时，晶体的亮度最大。 如果使用单色光作光源，当光程差为波长的整数倍时，sind(Ng-Np)/=sinn0，A+ =0，此时晶体切片呈黑色。而当光程差为半波长的奇数倍时，sin(2n+1) /2=1，使合成波振幅A+ 最大，干涉结果使光增强。如果沿石英光轴方向，由薄至厚磨成一条楔形的光片（称为石英楔）。石英的最大双折率Ne-No=0.009是固定常数。此时光程差的改变只随着石英楔的厚度变化。当由薄至厚逐渐插入石英楔，造成光程差均匀增加，此时在视域里就可看到明暗相间的条带（图2.20）。在R=2n/2处，光消失呈现黑带；在R=（2n+1）/2处，光线加强而呈现单色光的亮带（最亮）。在光程差介于二者之间处，则明亮程度介于全黑与最亮之间。明暗条带相间的距离由单色光的波长而定，红光波长较长，明暗条带的距离大；紫光波长较短，明暗条带的距离也小。综述： 以上对汇