材料研究方法第2章 光学显微镜

1、第2章 光学(gungxu)显微镜罗伯特虎克制造(zhzo)的显微镜（1665）詹森父子制造的第一台显微镜（约1595年）1共七十三页2.1 概述2.2 晶体光学基础2.3 光学显微分析(fnx)方法2.4 光学显微分析(fnx)样品的制备2.5 光学显微分析技术的进展2.6 光学显微分析技术的应用主要(zhyo)内容2共七十三页2.1 概 述一、光学显微镜的发展历史(lsh)二、光学显微镜的分类3共七十三页15世纪(shj)中叶：Frsncesco Stelluti，放大镜（单式显微镜）一、光学显微镜发展(fzhn)历史1590年 荷兰 Hans and Zacharias Janssen：

2、 最早的复式显微镜4共七十三页17世纪(shj)中叶 R. Hooke：设计第一台性能较好 的显微镜Christiaan Huygens：惠更斯目镜(mjng)5共七十三页阐明(chnmng)光学显微镜成像原理，油浸系物镜，光学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限19世纪(shj) 德国 Ernst Abbe6共七十三页二、光学(gungxu)显微镜分类 按成像原理可分为： 几何光学显微镜：生物、金相显微镜 物理光学显微镜：相差、偏光显微镜 信息转换(zhunhun)显微镜：荧光、图像分析显微镜 特种光学显微镜 ：高温、近场光学显微镜7共七十三页相位差显微镜透射光显微镜反射光显微镜解剖(jipu

3、)显微镜8共七十三页2.2 晶体(jngt)光学基础一、光的物理性质二、光与固体(gt)物质的相互作用三、光在物质中的传播四、光率体五、光性方位9共七十三页一、光的物理性质(wl xngzh)1.光的波动性 光具有波粒二象性 波动学说解释晶体光学(gungxu)问题 光是横波 横波光波的振动方向垂直传播方向10共七十三页电磁波谱 光学(gungxu)显微镜使用可见光 390770nm11共七十三页2.自然光和偏振光 自然光：在垂直于光的传播(chunb)方向的平面内的任意方向振动。偏振光：只在垂直于光的传播(chunb)方向的平面内的某一方向振动。12共七十三页二、光与固体(gt)物质的相互作

4、用1.光的折射(zhsh)折射定律相对折射率13共七十三页特点:绝对(judu)折射率介质的折射率与光在介质中的传播速度Vr成反比光在真空中的传播速度最大，介质中N1 折射率色散:同一介质的折射率因为所用光波波长的不同而不同；对于同一介质，波长与折射率成反比；14共七十三页晶体的折射率色散能力(nngl)：晶体在两种波长光波中测定的折射率的差值； 差值越大，晶体色散能力越强；反之则越弱例如(lr)：萤石的色散能力很小 N紫-N红=0.00868金刚石的色散能力很强 N紫-N红=0.0574115共七十三页2.光的吸收(xshu)3.光的反射(fnsh)光的振幅随透入深度增大而减小。单向反射漫反

5、射反射力：物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力反射率： R=(Ir/Ii)100%16共七十三页三、光在物质(wzh)中的传播 1.光性均质体 各向同性( xin tn xn)介质 光在均质体中传播时，光的传播速度和介质的折射率不因光在介质中振动方向不同而发生改变，所以只有一个折射率。单折射现象：光波的振动特点和振动方向不变 ，如图： 等轴晶系（立方）、非晶物质17共七十三页2.光性非均质体(zh t) 各向异性介质 光在非均质体中传播时，传播速度和折射率值随振动方向的不同而发生改变。 双折射现象：光波(gungb)入射非均质体，除特殊方向(光轴)外，分解成为振动方向互相垂直、传播速度

6、不同、折射率不等的两种偏振光。 一轴晶：中级晶族（如四方） 二轴晶：低级晶族（如斜方）18共七十三页冰洲石的双折射现象(xinxing)oe冰洲石19共七十三页 一束自然光穿过各向异性的晶体(jngt)时分成两束偏振光的现象。 例如(lr)：白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。 双折射现象20共七十三页四、光率体 含义：是表示光波在晶体(jngt)中传播时，光波振动方向与相应折射率值之间关系的一种光学立体图形（光性指示体）。1.均质体(zh t)光率体是一个圆球体。切面为圆切面，半径代表折射率21共七十三页2.一轴晶光率体常光：振动方

7、向(fngxing)垂直光轴，且各方向(fngxing)折射率相等， No非常光：振动方向平行于光轴和传播(chunb)方向构成的平面，且折射率随振动方向而变化， Ne例如：中级晶族（三方、四方、六方）晶体22共七十三页（1）一轴晶光率体的构成(guchng)一轴晶正光性光率体：以c轴为旋转轴的长形旋转椭球体，光波平行光轴振动时的折射率总是(zn sh)比垂直光轴振动时的折射率大，NeNo。23共七十三页一轴晶负光性光率体：以c轴为旋转轴的扁形旋转椭球体，光波平行光轴振动(zhndng)时的折射率总是比垂直光轴振动(zhndng)时的折射率小，NeNo。24共七十三页无论是正光性或负光性光率体

8、，直立轴（光轴）永远是Ne ，水平轴永远是No。Ne与No为一轴晶矿物(kungw)折射率的最大值与最小值，称为主折射率。 Ne与No 之差值（Ne-No）为一轴晶矿物最大双折率25共七十三页（2）一轴晶光率体的主要(zhyo)切面垂直光轴切面 圆切面，半径等于(dngy)No，光波垂直这种切面入射时，不发生双折射。折射率为No。26共七十三页平行光轴切面 椭圆切面，长短半径分别等于No与Ne，光波(gungb)垂直这种切面入射时，发生双折射，两条偏光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，折射率分别等于椭圆切面的长、短半径。双折射率为No和Ne之差。27共七十三页斜交光轴切面 椭圆切面，长短半

9、径分别等于No与Ne，光波垂直(chuzh)这种切面入射时，发生双折射，两条偏光的振动方向分别平行椭圆切面长、短半径，折射率分别等于椭圆切面的长、短半径No与Ne，双折射率为No和Ne之差。28共七十三页五、光性方位(fngwi) 含义：光率体主轴与晶体晶面、结晶轴以及晶棱之间的关系。 不同晶体的光性方位(fngwi)不同，而同一晶体的光性方位(fngwi)基本固定，故确定光性方位(fngwi)可以帮助鉴定晶体。三方、四方和六方晶系，一轴晶光率体，旋转椭球体，其旋转轴（光轴）与结晶轴（c轴）相当，光率体的中心与晶体中心重合。29共七十三页斜方晶系光率体，三轴椭球体，光率体的三根主轴与晶体的三根

10、结晶(jijng)轴重合，光率体的三个主轴面与晶体的三个对称面（100,010,001面）重合；单斜晶系光率体的三主轴之一与晶体的二次对称(duchn)轴（b轴）重合，光率体的三个主轴面之一与晶体的对称(duchn)面（010）面重合，另外两个主轴在（010）面内与晶体的另外两晶轴（a,c轴）相交一定角度；三斜晶系光率体的三根主轴与晶体的三根结晶轴斜交，其斜交角度因晶体不同而不同。30共七十三页2.3 光学显微(xin wi)分析方法一、偏光(pin un)显微镜二、金相显微镜31共七十三页一、偏光(pin un)显微镜观察透明(tumng)晶体32共七十三页1.偏光(pin un)显微镜的构

11、造1、目镜2、镜筒3、勃氏镜4、粗动手(dng shu)轮5、微调手轮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33共七十三页镜座镜臂34共七十三页下偏光镜：用PP代表(dibio)振动方向反光镜：平、凹两面(lingmin)35共七十三页锁光圈(gungqun)聚光镜：凸透镜，形成(xngchng)锥形偏光载物台 游标尺、弹簧夹36共七十三页镜筒 粗动螺丝、微动螺丝目镜(mjng)勃氏镜上偏光镜试板孔物镜37共七十三页物镜(wjng)复式透镜 放大(fngd)倍数 40数值孔径 0.65机械筒长 /0数值孔径表示物镜的聚光能

12、力，数值孔径越大，放大倍数越高； 对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，分辨率越高。38共七十三页试板孔上偏光镜振动方向AA，与PP垂直39共七十三页目镜 勃氏镜显微镜总放大(fngd)倍数=目镜放大倍数物镜放大倍数40共七十三页2.显微镜的工作(gngzu)原理光学显微镜具有(jyu)二级放大的功能41共七十三页3.偏光显微镜的调节(tioji)和校正(1)装卸镜头a. 装卸目镜 单目镜筒，将目镜插入镜筒 双目镜筒，还需调节两个目镜之间的距离，使眼睛间距(jin j)与双筒视域一致。b. 装卸物镜 弹簧夹型 转盘型 螺丝扣型42共七十三页(2)调节照明（对光） 用自然光照明，需要调节反光镜

13、，反光镜有平面镜和凹面镜两种。用人工光源照明，需要调节电压旋钮(xun ni)，电压越高，亮度越大。(3)调整(tiozhng)偏光镜位置 目镜中全黑时，则上、下偏光镜的偏振方向正交；而光线最强时，则相互平行。43共七十三页(4)调节焦距(jioj)(对焦) 从侧面看着镜头，先旋转微调手轮，使它处于中间位置，再转动粗调手轮将镜筒下降使物镜靠近试样玻片。然后在观察试样的同时慢慢上升镜筒，直至看清物体的像，再左右旋动微调手轮使物体的像最清晰。 切勿在观察时用粗调手轮调节下降，否则物镜有可能碰到玻片硬物而损坏镜头。44共七十三页(5)调整载物台机械(jxi)中心 载物台通常作360转动，为了防止观察

14、目标移出视域，必须将载物台的机械中心和物镜的主轴相重合。45共七十三页4.偏光(pin un)显微镜的试样46共七十三页5.偏光(pin un)显微镜的使用 (1)单偏光镜 仅使用下偏光镜 可观察内容(nirng)：晶体形态、晶粒大小、含量、解理、突起、颜色等。针状、 棒状鳞石英 雪花状鳞石英 管柱状鳞石英 47共七十三页(2)正交偏光镜 使用上、下偏光镜，且振动面相互(xingh)垂直 正交偏光镜不放试样时，视域是黑暗的（？）；若放置试样，由于晶体(jngt)性质和切片方向不同，将出现消光和干涉等光学现象。48共七十三页晶体在正交偏光镜下呈现(chngxin)黑暗的现象。消光现象全消光：转动

15、物台360,消光现象不改变。均质体(zh t)或非均质体(zh t)垂直光轴的切片49共七十三页四次消光：转动物台360,出现四次消光。 非均质体除垂直光轴以外的切片(qi pin)为椭圆，长、短半径与上、下偏光振动方向AA、PP有四次平行的机会。四次消光是非均质体的特征50共七十三页 干涉条件：两束光振动频率相同，在同一(tngy)平面内振动，且存在光程差。干涉现象单色光干涉：明暗(mn n)相间的条带51共七十三页白光干涉(gnsh)：干涉(gnsh)色52共七十三页(3)锥光镜正交镜基础上，加聚光镜和勃氏镜，换高倍物镜观察内容：不同方向的入射光通过晶体(jngt)后，所产生的消光和干涉现

16、象的总和，称为干涉图（黑十字）。53共七十三页球晶的黑十字(sh z)消光现象54共七十三页二、金相显微镜研究不透明物体（薄片(bo pin)厚度在0.03mm以上）1.金相显微镜的构造和工作(gngzu)原理55共七十三页1-灯泡(dngpo)；2-聚光镜组1；3-聚光镜组2；4-半反射镜；5-辅助透镜1；6-物镜组；7-反光镜；8-孔径光阑；9-视域光阑；10-辅助透镜2；11,12-棱镜；13-场镜；14-接目镜 金相显微镜工作(gngzu)原理图56共七十三页(1)光源：低压白炽灯,位于镜筒侧面 (2)孔径光阑：控制入射光束的直径，影响分 辨率和反差 视域光阑：控制观察区域范围(3)垂

17、直(chuzh)照明器:光路行程换向的作用金相显微镜的构造：主要由光学系统、机械系统、照明系统(xtng)等组成。57共七十三页（a）玻片反射器：光强损失(snsh)大，视域亮度较弱，有害反射较多；视域亮度均匀、分辨率较高 垂直照明(zhomng)器的种类：58共七十三页（b）棱镜反射器：光线损失较少，视域明亮，有害的干扰反射光少；但视域明暗(mn n)不均、分辨率下降59共七十三页(4)照明(zhomng)方式a.明场照明术 金相显微镜中常用的照明方式 。 光线均匀照到光片表面，平坦表面将大部分光反射回物镜(wjng)，凹陷部分则将光散射到物镜(wjng)外面，光片上的不平整状态及物相的不同

18、反射力和颜色等造成明暗反差和颜色反差。60共七十三页b.暗场照明术 平坦表面的反射有极大的倾角，不能进入物镜，呈黑暗色；物相的裂纹、凹陷、界面等的部分散射光线有可能(knng)射入物镜而呈现明亮色，从而造成了极明显的明暗反差或颜色反差。61共七十三页 明场相 暗场(nchng)相62共七十三页2.金相(jn xin)显微镜的调节和使用 主要包括(boku)光源、照明器、镜筒、孔径光阑和视域光阑的调节。 可观察内容：试样表面的形貌、尺寸、分布、颜色等。63共七十三页光学显微分析对光片的要求：（1）光片要能代表所要研究的对象（2）光片的检测面平整(pngzhng)光滑（3）光片能显示所要研究的内部

19、组织结构2.4 光学(gungxu)显微分析样品的制备64共七十三页取样镶嵌磨光浸蚀抛光代表性，锯、车、刨、切，避免过热和变形(bin xng)，规则外形，合适大小。形状特殊或尺寸细小的样品，机械(jxi)夹持法、塑料镶嵌法（热-酚醛，冷-环氧）去除表面损伤，获得平整光滑表面。粗磨（砂轮机）、细磨（砂纸）去除细磨痕，获得平整无疵镜面。机械抛光、电解抛光、化学抛光使不同组织、晶粒、晶界受到不同程度的浸蚀，形成差别，清晰显示内部组织；去除抛光造成的变形层。化学浸蚀、电解浸蚀、物理蚀刻65共七十三页66共七十三页2.5 光学显微(xin wi)分析技术的进展一、光学(gungxu)显微镜的分辨能力 分辨率：仪器分辨两个物点的本领，常用可以辨别物体上两点间的最小距离表示。 仪器能分辨的两个物点的距离越小，则分辨率越大。 显微镜的分辨能力由物镜决定。67共七十三页 由于衍射效应，物点通过透镜所成的像是个衍射光斑，由许多明暗相间的条纹(tio wn)构成。瑞利判据(pn j)分辨率表达式光学显微镜的分辨率极限是半波长N：折射率；：光圈半角孔径；NA:数值孔径68共七十三页提高分辨率的传统途径： （1）选择(xunz)更短的波长； （2）采用折