材料研究方法光學顯微鏡

（優(yōu)選）材料研究方法光學顯微鏡第一頁，共五十六頁。2.1概述一、發(fā)展歷史羅伯特·虎克制造的顯微鏡（1665）第二頁，共五十六頁。15世紀中葉：放大鏡（單式顯微鏡）1590年荷蘭HansandZachariasJanssen：最早的復式顯微鏡17世紀中葉R.Hooke：設計第一臺性能較好的顯微鏡ChristiaanHuygens：惠更斯目鏡19世紀德國ErnstAbbe：闡明光學顯微鏡成像原理，油浸系物鏡，光學顯微鏡分辨本領達0.2微米理論極限第三頁，共五十六頁。二、光學顯微鏡分類按成像原理可分為：幾何光學顯微鏡：生物、金相顯微鏡物理光學顯微鏡：相差、偏光顯微鏡信息轉換顯微鏡：熒光、圖像分析顯微鏡特種光學顯微鏡：高溫、近場光學顯微鏡第四頁，共五十六頁。相位差顯微鏡透射光顯微鏡反射光顯微鏡解剖顯微鏡第五頁，共五十六頁。2.2晶體光學基礎一、光的物理性質1.光的波動性光具有波粒二象性

波動學說解釋晶體光學光是橫波

光波的振動方向垂直傳播方向橫波第六頁，共五十六頁。電磁波譜

光學顯微鏡使用可見光390~770nm第七頁，共五十六頁。2.自然光和偏振光自然光：在垂直于光的傳播方向的平面內的任意方向振動。偏振光：只在垂直于光的傳播方向的平面內的某一方向振動。第八頁，共五十六頁。二、光與固體物質的相互作用1.光的折射特點:

①介質的折射率與光在介質中的傳播速度成反比②光在真空中的傳播速度最大，N>1

③折射率色散:同一介質的折射率因為所用波長的不同而不同；對于同一介質，波長與折射率成反比④晶體的折射率色散能力

第九頁，共五十六頁。2.光的吸收3.光的反射光的振幅隨透入深度增大而減小。單向反射漫反射反射力：物質對投射在它的表面或磨光面上光線的反射能力反射率：

R=(Ir/Ii)×100%第十頁，共五十六頁。三、光在物質中的傳播1.光性均質體

各向同性介質

光的傳播速度不因振動方向而發(fā)生改變只有一個折射率 單折射現(xiàn)象：光波的振動特點和振動方向不變等軸晶系（立方）、非晶物質第十一頁，共五十六頁。2.光性非均質體

各向異性介質

光在非均質體中傳播時，傳播速度和折射率值隨振動方向的不同而發(fā)生改變。

光波入射非均質體，除特殊方向(光軸)外，分解成為振動方向互相垂直、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏振光，這種現(xiàn)象就稱為雙折射。一軸晶：中級晶族（如四方）二軸晶：低級晶族（如斜方）第十二頁，共五十六頁。冰洲石的雙折射現(xiàn)象oe冰洲石第十三頁，共五十六頁。

一束自然光穿過各向異性的晶體時分成兩束偏振光的現(xiàn)象。

例如：白紙上涂一個黑點，將方解石放在紙上，可觀察到兩個黑點，旋轉方解石，一個黑點不動，另一個黑點旋轉。雙折射現(xiàn)象第十四頁，共五十六頁。四、光率體

含義：是表示光波在晶體中傳播時，光波振動方向與相應折射率值之間關系的一種光學立體圖形（光性指示體）。1.均質體光率體①是一個圓球體。②切面為圓切面，半徑代表折射率第十五頁，共五十六頁。2.一軸晶光率體常光：振動方向垂直光軸，且各方向折射率相等，No非常光：振動方向平行于光軸和傳播方向構成的平面，且折射率隨振動方向而變化，Ne（1）一軸晶光率體的構成第十六頁，共五十六頁。（2）主要特征①一軸正晶光率體：以c軸為旋轉軸的長形旋轉橢球體，光波平行光軸振動時的折射率總是比垂直光軸振動時的折射率大，Ne＞No。②一軸負晶光率體：以c軸為旋轉軸的扁形旋轉橢球體，光波平行光軸振動時的折射率總是比垂直光軸振動時的折射率小，Ne＜No。③Ne與No為一軸晶礦物折射率的最大值與最小值，稱為主折射率。Ne與No之差值（Ne-No）為一軸晶礦物最大雙折率第十七頁，共五十六頁。（3）

主要切面第十八頁，共五十六頁。①垂直光軸切面

圓切面，半徑等于No，光波垂直這種切面入射時，不發(fā)生雙折射。折射率為No。②平行光軸切面

橢圓切面，長短半徑分別等于No與Ne，光波垂直這種切面入射時，發(fā)生雙折射，兩條偏光的振動方向分別平行橢圓切面長、短半徑，折射率分別等于橢圓切面的長、短半徑。雙折射率為No和Ne之差第十九頁，共五十六頁。③斜交光軸切面橢圓切面，長短半徑分別等于No與N’e，光波垂直這種切面入射時，發(fā)生雙折射，兩條偏光的振動方向分別平行橢圓切面長、短半徑，折射率分別等于橢圓切面的長、短半徑No與N’e，。雙折射率為No和N’e之差。光波垂直入射圓切面，不發(fā)生雙折射。垂直入射橢圓切面，發(fā)生雙折射。第二十頁，共五十六頁。五、光性方位

含義：光率體主軸與晶體晶面、結晶軸以及晶棱之間的關系。

不同晶體的光性方位不同，而同一晶體的光性方位基本固定，故確定光性方位可以幫助鑒定晶體。第二十一頁，共五十六頁。2.3光學顯微分析方法一、偏光顯微鏡觀察透明晶體第二十二頁，共五十六頁。1.偏光顯微鏡的構造1、目鏡，2、鏡筒，3、勃氏鏡，4、粗動手輪，5、微調手輪，6、鏡臂，7、鏡座，8、上偏光鏡，9、試板孔，10、物鏡，11、載物臺，12、聚光鏡，13、鎖光圈，14、下偏光鏡，15、反光鏡☆鏡臂☆鏡座第二十三頁，共五十六頁?！钕缕忡R：用PP代表振動方向☆鎖光圈☆聚光鏡：凸透鏡，形成錐形偏光☆反光鏡：平、凹兩面第二十四頁，共五十六頁?！钶d物臺游標尺、彈簧夾☆鏡筒粗動螺絲、微動螺絲☆試板孔第二十五頁，共五十六頁。☆物鏡復式透鏡放大倍數(shù)40×數(shù)值孔徑0.65機械筒長∞/0數(shù)值孔徑表示物鏡的聚光能力，放大倍數(shù)越高，數(shù)值孔徑越大；對于同一放大倍數(shù)的物鏡，其數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。第二十六頁，共五十六頁。☆

目鏡

☆上偏光鏡振動方向AA與PP垂直☆勃氏鏡顯微鏡總放大倍數(shù)=目鏡放大倍數(shù)×物鏡放大倍數(shù)第二十七頁，共五十六頁。2.顯微鏡的工作原理光學顯微鏡具有二級放大的功能第二十八頁，共五十六頁。3.偏光顯微鏡的調節(jié)和校正(1)裝卸鏡頭a.裝卸目鏡

單目鏡筒，將目鏡插入鏡筒

雙目鏡筒，還需調節(jié)兩個目鏡之間的距離，使眼睛間距與雙筒視域一致。b.裝卸物鏡①彈簧夾型②轉盤型③螺絲扣型第二十九頁，共五十六頁。(2)調節(jié)照明（對光）①用自然光照明，需要調節(jié)反光鏡，反光鏡有平面鏡和凹面鏡兩種。②用人工光源照明，需要調節(jié)電壓旋鈕，電壓越高，亮度越大。(3)調整偏光鏡位置目鏡中全黑時，則上、下偏光鏡的偏振方向正交；而光線最強時，則相互平行。第三十頁，共五十六頁。(4)調節(jié)焦距(對焦)從側面看著鏡頭，先旋轉微調手輪，使它處于中間位置，再轉動粗調手輪將鏡筒下降使物鏡靠近試樣玻片。然后在觀察試樣的同時慢慢上升鏡筒，直至看清物體的像，再左右旋動微調手輪使物體的像最清晰。

切勿在觀察時用粗調手輪調節(jié)下降，否則物鏡有可能碰到玻片硬物而損壞鏡頭。第三十一頁，共五十六頁。(5)調整載物臺機械中心載物臺通常作360°轉動，為了防止觀察目標移出視域，必須將載物臺的機械中心和物鏡的主軸相重合。第三十二頁，共五十六頁。第三十三頁，共五十六頁。4.偏光顯微鏡的試樣第三十四頁，共五十六頁。5.偏光顯微鏡的使用(1)單偏光鏡

僅使用下偏光鏡可觀察內容：晶體形態(tài)、晶粒大小、含量、解理、突起、顏色等。針狀、棒狀鱗石英

雪花狀鱗石英

管柱狀鱗石英第三十五頁，共五十六頁。(2)正交偏光鏡

使用上、下偏光鏡，且振動面相互垂直正交偏光鏡不放試樣時，視域是黑暗的；若放置試樣，由于晶體性質和切片方向不同，將出現(xiàn)消光和干涉等光學現(xiàn)象。第三十六頁，共五十六頁。晶體在正交偏光鏡下呈現(xiàn)黑暗的現(xiàn)象。消光現(xiàn)象全消光：轉動物臺360°,消光現(xiàn)象不改變。均質體或非均質體垂直光軸的切片四次消光：轉動物臺360°,出現(xiàn)四次消光。非均質體除垂直光軸以外的切片為橢圓，長、短半徑與上、下偏光振動方向AA、PP有四次平行的機會。四次消光是非均質體的特征第三十七頁，共五十六頁。

干涉條件：兩束光振動頻率相同，在同一平面內振動，且存在光程差。干涉現(xiàn)象單色光干涉：明暗相間的條帶第三十八頁，共五十六頁。白光干涉：干涉色第三十九頁，共五十六頁。(3)錐光鏡正交鏡基礎上，加聚光鏡，換高倍物鏡觀察內容：不同方向的入射光通過晶體后，所產(chǎn)生的消光和干涉現(xiàn)象的總和，稱為干涉圖（黑十字）。第四十頁，共五十六頁。球晶的黑十字消光現(xiàn)象第四十一頁，共五十六頁。二、金相顯微鏡研究不透明物體（薄片厚度在0.03mm以上）的光學性質。1.金相顯微鏡的構造和工作原理第四十二頁，共五十六頁。1-燈泡；2-聚光鏡組1；3-聚光鏡組2；4-半反射鏡；5-輔助透鏡1；6-物鏡組；7-反光鏡；8-孔徑光闌；9-視域光闌；10-輔助透鏡2；11,12-棱鏡；13-場鏡；14-接目鏡第四十三頁，共五十六頁。(1)光源：低壓白熾燈,位于鏡筒側面(2)孔徑光闌：控制入射光束的直徑，影響分辨率和反差

視域光闌：控制觀察區(qū)域范圍(3)垂直照明器:光路行程換向主要由光學系統(tǒng)(包括目鏡、物鏡等)、機械系統(tǒng)(包括座架、調焦裝置、樣品臺等)、照明系統(tǒng)(包括光源、光闌、垂直照明器)組成。第四十四頁，共五十六頁。玻片：光強損失大，視域亮度較弱，有害反射較多；亮度均勻、分辨率較高棱鏡：光線損失較少，視域明亮，有害的干擾反射光少；明暗不均、分辨率下降垂直照明器的種類：第四十五頁，共五十六頁。(4)照明方式a.明場照明術金相顯微鏡中常用的照明方式。光線均勻照到光片表面，平坦表面將大部分光反射回物鏡，凹陷部分則將光散射到物鏡外面，造成明暗反差和顏色反差。第四十六頁，共五十六頁。b.暗場照明術環(huán)形光束經(jīng)拋物面反射鏡以大傾斜角投射到樣品表面。平坦表面的反射不能進入物鏡，呈黑暗色；物相的裂紋、凹陷、界面等的部分散射光線有可能射入物鏡而呈現(xiàn)明亮色，從而造成了極明顯的明暗反差或顏色反差。第四十七頁，共五十六頁。明場相暗場相第四十八頁，共五十六頁。2.金相顯微鏡的調節(jié)和使用主要包括光源、照明器、鏡筒、孔徑光闌和視場光闌的調節(jié)?？捎^察內容：試樣表面相的形貌、尺寸、分布、顏色等。第四十九頁，共五十六頁。2.4光學顯微分析樣品的制備取樣鑲嵌磨光浸蝕拋光代表性，鋸、車、刨、切，避免過熱和變形，規(guī)則外形，合適大小。機械夾持法、塑料鑲嵌法（熱-酚醛，冷-環(huán)氧）去除表面損傷，獲得平整光滑表面。粗磨（砂輪機）、細磨（砂紙），磨去上一道的磨痕和變形層去除細磨痕，獲得平整無疵鏡面。機械拋光（拋光機）、電解拋光、化學拋光使不同組織、晶粒、晶界受到不同程度的浸蝕，形成差別，清晰顯示內部組織?；瘜W浸蝕、電解浸蝕、物理蝕刻第五十頁，共五十六頁。第五十一頁，共五十六頁。2.5光學顯微分析技術的進展一、光學顯微鏡的分辨能力

分辨率：儀器分辨兩個物點的本領，常用可以辨別物體上兩點間的最小距離表示。兩個物點的距離越小，則分辨率越大。

顯微鏡的分辨能力由物鏡決定。第五十二頁，共五十六頁。由于衍射效應，物點通過透鏡所成的像是個衍射光斑，由許多明暗相間的條紋構成。瑞利判據(jù)——分辨率表達式

光學顯微鏡的分辨率極限是半波長，如以波長400nm的紫光作光源時，僅能分辨相距200nm的兩個物點。第五十三頁，共五十六頁。提高分辨率的傳統(tǒng)途徑：——選擇更短的波長；——采用折射率很高的材料；——增大顯微鏡的孔徑角。但都無法突破λ/2的分辨率極限。