反光偏光显微镜原理及应用

2013-12-18 admin1 204

  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片,用来检验椭圆偏振光,并获得色偏振(如图6所示)。

  

反光偏光显微镜原理及应用

  图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)

  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λ=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。

  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7(b)所示。

  

反光偏光显微镜原理及应用

  (a)30°偏光照片 (b)明场照片

  图7 球墨铸铁的显微组织

  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8表示了铜对光的反射强度与入射角的关系。其中R//与δ//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,可以通过正交的偏振镜而看到明暗不同的晶粒。

  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。

  

反光偏光显微镜原理及应用

  图8 铜对光的反射 图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

  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,其亮度不发生变化。各向异性的夹杂物在正交偏振光下不发生消光现象,在转动载物台一周(360°)时会看到四次消光和四次最亮的现象。对某些弱各向异性的夹杂物,可使检偏振镜转动一个小的角度θ,在偏振镜下完全正交下观察。在转动载物台时,弱各向异性的夹杂物出现两次消光和两次最亮的现象。

  2.夹杂物的透明度及固有色彩的显示

  在非金属夹杂物中,不少是透明并带有色彩的,但一般显微镜明场照明时,光线透过夹杂物并在与金属基体的交界面处反射出来,夹杂物一般比较细小,其反射光与基体的反射光混淆在一起,因此,不能分辨出夹杂物的透明度及固有色彩。在正交的偏振光下,金属基体为各向同性,反射光被正交的偏振镜阻挡,呈黑暗的消光现象。而夹杂物处的反射光由于华侨入射的结果而能透过正交的偏振镜,从而能够显示出夹杂物的本来面目。

  3.“黑十字”特征

  各向同性的球形透明夹杂物在正交偏振光下会呈现“黑十字”现象。这是由于透明夹杂物的规则外形所决定的。因为夹杂物为球状,偏振光射到夹杂物与基体交界处被反射出来,相当于偏振光斜射到晶体表面,反射光出现相位差别改变了其振动方向,能够通过正交的检偏振镜。而与偏振光的振动方向平行或垂直的两个入射面不改变其振动方向,反射光则不能通过正交的检偏振镜,观察到的是黑暗的消光现象,使透明的球形夹杂物出现“黑十字”特征。当球形夹杂物的外形遭到破坏后,“ 黑十字”特征也随之消失。图10为钢中球形SiO2夹杂物。

  

反光偏光显微镜原理及应用

  (a)明场照明 (b)正交偏光照明

  图10 钢中SiO2玻璃球夹杂物

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