偏光显微镜的原理

2016-05-17技术资料

(一)偏振光在金属磨面上的反射

金属材料按它的晶体结构不同可分各向同性与各向异性。凡属立方点阵的金属都具有各向同性的特征,一般情况下对偏振光不起作用;非立方点阵的金属,如正方晶系,六方晶系,三斜晶系均属各向异性类,对偏振光极为灵敏。下面讨论偏振光在金属磨面上的反射情况。

1.偏振光在各向异性金属磨面上的反射

随晶粒位向的不同,光学性质发生改变。我们用光矢量进行分析:反射光将分别平行或垂直于晶体光轴。如图1所示,以R表示平行光轴的反射光强度,以S表示垂直光轴的反射光强度。基于各向异性的原则必有R>S(对正光性晶体R>S,而负光性晶体则S>R)。

西安测维显微镜告诉你偏光显微镜的原理

图1 偏振光在各同异性金属表面反射的光矢量分析

当强度为P,偏振方向为PP的偏振光以与光轴成够角垂直照到晶体表面时,将分成二个相互垂直的分振动Pcosφ和Psinφ,那么它的反射光矢量(强度)就分别变为R•Pcosφ和S.Psinφ,由于R>S,所以R•Pcosφ与S•Psinφ合成后的反射偏振光矢量P,P,不再沿PP方向,而是向R方向转了一个角度w。振动面转角叫的大小与够有关:

当φ=n.π/2时(n为整数),因有R=0或S=0,所以叫w=0振动面不发生旋转;

当φ=π/4,π3/4,π5/4,π7/4时,振动面的转动最大。振动面的转动在偏光观察中将有什么效果呢?当起偏镜与检偏镜成正交位置时,由于振动面发生旋转,使反射偏振光与检偏镜改变正交位置,部分光线就能通过检偏镜。振动面旋转愈大,通过的光线就愈多。

当φ=π/4,π3/4,5/4π,π7/4时,w最大,得到最大的光强;当够φ=0,π/2,π,π3/2时,w=0,就没有光线能通过检偏镜,观察到黑暗的消光现象。

转动载物台,相当改变振动面与晶体光轴的夹角φ,在360°中观察到四次明亮四次黑暗。由此可以推想:在正交偏振光下能直接观察到一个各向异性多晶体磨面的组织,而不需进行化学浸蚀。因为磨面上每个晶粒的光轴各不一致,则φ角大小不等,60的转动亦不相同,故有晶粒明暗的差别。

2.偏振光在各向同性金属磨面上的反射

各向同性的金属,由于各方向光学性质是一致的,用光矢量分析则有R=S,因此不能使反射偏振光的振动面旋转,在正交偏振光下不能通过检偏镜。转动载物台(即改变φ角大小)始终只能看到一片黑暗。如果想在偏振光下研究各向同性金属的组织,需采用改变原光学性质的特殊方法加以补救:如深浸蚀法或表面进行阳极化处理。

(二)偏振光透过各向异性晶体后的反射

偏振光透过各向异性的晶体时,由于这种晶体的折射率椭球的切面为椭圆(仅入射光波平行晶体光轴时除外),自起偏镜透出的偏振光射入晶体中必然发生双折射,产生振动方向分别平行于椭圆长短半轴的两种偏振光-o光和e光;只有当椭圆长短半轴与起偏镜振动方向平行时,起偏镜透出的偏振光才能透过晶体而不发生双折射,且不改变原来振动方向,显然,透不过检偏镜。现在讨论偏振光射入晶体中发生双折射的情况:首先,发生双折射分解出的。光和e光遇到晶体与金属基体介面后将发生反。随后,o光、e光经反射将在晶体表面合成。因为o光和e光振动方向互相垂直、振动频率相同,又由于o光、e光传播速度不等,通过二倍晶体厚度的距离后必有光程差。光程差△L=(ne-no)•2d.d为晶体厚度。

由偏振光的干涉可知:

(1)当△L=λ/2,出射光合成为线偏振光。

(2)当△L=λ/4,入射偏振光振动面与晶体光轴成45°时,出射光合成为圆偏振光。

(3)当△L=λ/4以外的其他值时,出射光合成为椭圆偏振光。实际金属磨面上晶体厚度不等,如图2所示,各处的d值不等。故o光、e光经晶体与金属基体介面反射后于晶体表面出射光的合成为椭圆偏振光。能通过正交位置的检偏镜观察到明亮;只有晶体的折射率椭圆长短半轴与起偏镜振动方向平行时,光线透不过检偏镜,因而视场黑暗。旋转载物台一周,有四次平行机会,因而视场将发生四次消光。

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图2

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图3

(三)偏振光下透明物相的特殊光学效应

1. 显示透明度及色彩

金属的组成相是不透明的,在偏振光下只能靠金属磨面的反射规律观察与鉴别。而另有透明物相在偏振光下易于观察的原因可由图2说明:当试样被线偏振光照明时,从平滑外表面反射的光线仍为线偏振光,不能通过处于正交位置的检偏镜,呈现黑暗;但在透明物相处光线既在外表面反射,又在透明物相内折射,折射至透明物相与基体界面处产生不规则的内反射,因而改变了入射光的振动方向,故通过检偏镜可观察到物相的颜色与亮度,一些物相,如钢或合金中的某些夹杂物是透明的,并有其固有颜色(又称体色)。后者即属我们所指的透明物相。下面以夹杂物为例说明其偏振光下的特殊光学效应。

(1)各向同性体在偏振光下观察到的颜色与暗场下一致,即为白光照明时,透射光所显示的颜色一体色;

(2)各向异性透明物相在偏振光下观察的颜色包括体色和表色。体色与不规则内反射有关,表色与磨面反射时发生振动面的旋转有关。因此,只有在消光位置才能观察到体色。

2.黑十字效应与等色环

透明球状夹杂物在正交偏振光下可看到一个有趣的现象——呈现黑十字效应:黑十字由相互垂直的两条黑带组成,十字交点位于物象中心。

当一束线偏振光垂直投射在试样表面时,入射光在球状透明体与基体界面处发生内反射,由于分界面为半球面,各方向的反射都有,因此仍有一定强度的光可通过正交位置的检偏镜。但有两个方向是例外的,即与振动面平行的入射面及与振动面垂直的入射面,这两个方位的反射光仍为线偏振光,不能通过正交位置的检偏镜。使球状透明体呈现黑十字特征。

显然,黑十字的方位是与正交位置的起偏镜、检偏镜振动方向相对应的。此外,正交偏振光下还有一种特殊的光学效应:在夹杂物的象上出现等色同心环。这是夹杂物内外表面反射光之间产生等厚干涉引起的。当利用自然光照明时也会看到同样现象。

由黑十字效应及同心环的成因可知:这两种特殊的光学效应只与物相(如夹杂物)是透明的、形状为球形有关。形状破坏,效应消失;而与物相是否各向异性无关