材料研究方法光学显微镜

（优选）材料研究方法光学显微镜当前1页，共56页，星期日。2.1概述一、发展历史罗伯特·虎克制造的显微镜（1665）当前2页，共56页，星期日。15世纪中叶：放大镜（单式显微镜）1590年荷兰HansandZachariasJanssen：最早的复式显微镜17世纪中叶R.Hooke：设计第一台性能较好的显微镜ChristiaanHuygens：惠更斯目镜19世纪德国ErnstAbbe：阐明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微米理论极限当前3页，共56页，星期日。二、光学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、近场光学显微镜当前4页，共56页，星期日。相位差显微镜透射光显微镜反射光显微镜解剖显微镜当前5页，共56页，星期日。2.2晶体光学基础一、光的物理性质1.光的波动性光具有波粒二象性

波动学说解释晶体光学

光是横波

光波的振动方向垂直传播方向横波当前6页，共56页，星期日。

电磁波谱

光学显微镜使用可见光390~770nm当前7页，共56页，星期日。2.自然光和偏振光自然光：在垂直于光的传播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方向的平面内的某一方向振动。当前8页，共56页，星期日。二、光与固体物质的相互作用1.光的折射特点:

①介质的折射率与光在介质中的传播速度成反比②光在真空中的传播速度最大，N>1

③折射率色散:同一介质的折射率因为所用波长的不同而不同；对于同一介质，波长与折射率成反比④晶体的折射率色散能力

当前9页，共56页，星期日。而光线最强时，则相互平行。当前10页，共56页，星期日。使用上、下偏光镜，且振动面相互垂直将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利反射力：物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力双折射率为No和Ne之差当前1页，共56页，星期日。④晶体的折射率色散能力当前33页，共56页，星期日。当前32页，共56页，星期日。当前34页，共56页，星期日。单折射现象：光波的振动特点和振动方向不变当前43页，共56页，星期日。当前31页，共56页，星期日。当前39页，共56页，星期日。2.光的吸收3.光的反射光的振幅随透入深度增大而减小。单向反射漫反射反射力：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%当前10页，共56页，星期日。三、光在物质中的传播1.光性均质体

各向同性介质

光的传播速度不因振动方向而发生改变只有一个折射率 单折射现象：光波的振动特点和振动方向不变等轴晶系（立方）、非晶物质当前11页，共56页，星期日。2.光性非均质体

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。

光波入射非均质体，除特殊方向(光轴)外，分解成为振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两种偏振光，这种现象就称为双折射。一轴晶：中级晶族（如四方）二轴晶：低级晶族（如斜方）当前12页，共56页，星期日。冰洲石的双折射现象oe冰洲石当前13页，共56页，星期日。

一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两束偏振光的现象。

例如：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。双折射现象当前14页，共56页，星期日。四、光率体

含义：是表示光波在晶体中传播时，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.均质体光率体①是一个圆球体。②切面为圆切面，半径代表折射率当前15页，共56页，星期日。2.一轴晶光率体常光：振动方向垂直光轴，且各方向折射率相等，No非常光：振动方向平行于光轴和传播方向构成的平面，且折射率随振动方向而变化，Ne（1）一轴晶光率体的构成当前16页，共56页，星期日。（2）主要特征①一轴正晶光率体：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比垂直光轴振动时的折射率大，Ne＞No。②一轴负晶光率体：以c轴为旋转轴的扁形旋转椭球体，光波平行光轴振动时的折射率总是比垂直光轴振动时的折射率小，Ne＜No。③Ne与No为一轴晶矿物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当前17页，共56页，星期日。（3）

主要切面当前18页，共56页，星期日。①垂直光轴切面

圆切面，半径等于No，光波垂直这种切面入射时，不发生双折射。折射率为No。②平行光轴切面

椭圆切面，长短半径分别等于No与Ne，光波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之差当前19页，共56页，星期日。③斜交光轴切面椭圆切面，长短半径分别等于No与N’e，光波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No与N’e，。双折射率为No和N’e之差。

光波垂直入射圆切面，不发生双折射。垂直入射椭圆切面，发生双折射。当前20页，共56页，星期日。五、光性方位

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不同，而同一晶体的光性方位基本固定，故确定光性方位可以帮助鉴定晶体。当前21页，共56页，星期日。2.3光学显微分析方法一、偏光显微镜观察透明晶体当前22页，共56页，星期日。1.偏光显微镜的构造1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，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☆镜臂☆镜座当前23页，共56页，星期日。☆下偏光镜：用PP代表振动方向☆锁光圈☆聚光镜：凸透镜，形成锥形偏光☆反光镜：平、凹两面当前24页，共56页，星期日。☆载物台游标尺、弹簧夹☆镜筒粗动螺丝、微动螺丝☆试板孔当前25页，共56页，星期日。☆物镜复式透镜放大倍数40×数值孔径0.65机械筒长∞/0数值孔径表示物镜的聚光能力，放大倍数越高，数值孔径越大；对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，分辨率越高。当前26页，共56页，星期日。☆

目镜

☆上偏光镜振动方向AA与PP垂直☆勃氏镜显微镜总放大倍数=目镜放大倍数×物镜放大倍数当前27页，共56页，星期日。2.显微镜的工作原理光学显微镜具有二级放大的功能当前28页，共56页，星期日。3.偏光显微镜的调节和校正(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，使眼睛间距与双筒视域一致。b.装卸物镜①弹簧夹型②转盘型③螺丝扣型当前29页，共56页，星期日。(2)调节照明（对光）①用自然光照明，需要调节反光镜，反光镜有平面镜和凹面镜两种。②用人工光源照明，需要调节电压旋钮，电压越高，亮度越大。(3)调整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。当前30页，共56页，星期日。(4)调节焦距(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。当前31页，共56页，星期日。(5)调整载物台机械中心载物台通常作360°转动，为了防止观察目标移出视域，必须将载物台的机械中心和物镜的主轴相重合。当前32页，共56页，星期日。当前33页，共56页，星期日。4.偏光显微镜的试样当前34页，共56页，星期日。5.偏光显微镜的使用(1)单偏光镜

仅使用下偏光镜可观察内容：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

管柱状鳞石英当前35页，共56页，星期日。(2)正交偏光镜

使用上、下偏光镜，且振动面相互垂直正交偏光镜不放试样时，视域是黑暗的；若放置试样，由于晶体性质和切片方向不同，将出现消光和干涉等光学现象。当前36页，共56页，星期日。晶体在正交偏光镜下呈现黑暗的现象。消光现象全消光：转动物台360°,消光现象不改变。均质体或非均质体垂直光轴的切片四次消光：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当前37页，共56页，星期日。

干涉条件：两束光振动频率相同，在同一平面内振动，且存在光程差。干涉现象单色光干涉：明暗相间的条带当前38页，共56页，星期日。白光干涉：干涉色当前39页，共56页，星期日。(3)锥光镜正交镜基础上，加聚光镜，换高倍物镜观察内容：不同方向的入射光通过晶体后，所产生的消光和干涉现象的总和，称为干涉图（黑十字）。当前40页，共56页，星期日。球晶的黑十字消光现象当前41页，共56页，星期日。二、金相显微镜研究不透明物体（薄片厚度在0.03mm以上）的光学性质。1.金相显微镜的构造和工作原理当前42页，共56页，星期日。1-灯泡；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-接目镜当前43页，共56页，星期日。(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)垂直照明器:光路行程换向主要由光学系统(包括目镜、物镜等)、机械系统(包括座架、调焦装置、样品台等)、照明系统(包括光源、光阑、垂直照明器)组成。当前44页，共56页，星期日。(5)调整载物台机械中心当前33页，共56页，星期日。晶体在正交偏光镜下呈现黑暗的现象。④晶体的折射率色散能力反射力：物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力Ne与No之差值（Ne-No）为一轴晶矿物最大双折率对于同一放大倍数的物镜，其数值孔径越大，分辨率越高。将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利①用自然光照明，需要调节反光镜，反光镜有平面镜和凹面镜两种。干涉条件：两束光振动频率相同，在同一平面内振动，且存在光程差。全消光：转动物台360°,消光现象不改变。全消光：转动物台360°,消光现象不改变。②用人工光源照明，需要调节电压旋钮，电压越高，亮度越大。研究不透明物体（薄片厚度在0.研究不透明物体（薄片厚度在0.玻片：光强损失大，视域亮度较弱，有害反射较多；亮度均匀、分辨率较高棱镜：光线损失较少，视域明亮，有害的干扰反射光少；明暗不均、分辨率下降垂直照明器的种类：当前45页，共56页，星期日。(4)照明方式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，凹陷部分则将光散射到物镜外面，造成明暗反差和颜色反差。当前46页，共56页，星期日。b.暗场照明术环形光束经抛物面反射镜以大倾斜角投射到样品表面。平坦表面的反射不能进入物镜，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。当前47页，共56页，星期日。研究不透明物体（薄片厚度在0.④晶体的折射率色散能力19世纪德国ErnstAbbe：阐明光学显微镜成若放置试样，由于晶体性质和切片方向不同，将出现消光和干涉等光学现象。数值孔径表示物镜的聚光能力，放大倍数越高，数值孔径越大；当前14页，共56页，星期日。光具有波粒二象性②切面为圆切面，半径代表折射率晶体在正交偏光镜下呈现黑暗的现象。☆聚光镜：凸透镜，形成锥形偏光而光线最强时，则相互平行。一束自然光穿过各向异性的晶体时分成两束偏振光的现象。当前4页，共56页，星期日。当前27页，共56页，星期日。化学浸蚀、电解浸蚀、物理蚀刻明场相暗场相当前48页，共56页，星期日。2.金相显微镜的调节和使用主要包括光源、照明器、镜筒、孔径光阑和视场光阑的调节。可观察内容：试样表面相的形貌、尺寸、分布、颜色等。当前49页，共56页，星期日。2.4光学显微分析样品的制备取样镶嵌磨光浸蚀抛光代表性，锯、车、刨、切，避免过热和变形，规则外形，合适大小。机械夹持法、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），磨去上一道的磨痕和变形层去除细磨痕，获得平整无疵镜面。机械抛光（抛光机）、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。化学浸蚀、电解浸蚀、物理蚀刻当