反光偏光顯微鏡原理及應(yīng)用

反光偏光顯微鏡也叫礦相顯微鏡。在一般大型顯微鏡光路中，只要加入兩偏振片即可，即在入射光路中加入一個(gè)起偏振片，在觀察鏡中加入一個(gè)檢偏振片，就可以實(shí)現(xiàn)偏振光照明。除了起偏振鏡和檢偏振鏡外，有時(shí)還加入一個(gè)靈敏色片，用來檢驗(yàn)橢圓偏振光，并獲得色偏振(如圖6所示)。

　　一、 起偏振鏡位置的調(diào)整

　　起偏鏡一般安裝在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓框內(nèi)，借助手柄轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的目的是為了使起偏振鏡出來的偏振光動(dòng)面水平，以保證垂直照明器平面玻璃反射進(jìn)入物鏡的偏振光強(qiáng)度最大，且仍為直線偏振光。

　　調(diào)整方法，是將經(jīng)過拋光而未經(jīng)腐蝕的不銹鋼試樣(光性均質(zhì)體)放在載物臺(tái)上，除去檢偏振鏡，只裝起偏振鏡，從目鏡內(nèi)觀察聚焦后試樣磨面上反射光的強(qiáng)度，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏振鏡，反射光強(qiáng)度發(fā)生明暗變化，當(dāng)反射光最強(qiáng)時(shí)，就是起偏振鏡振動(dòng)軸的正確位置。

　　二、檢偏振鏡位置的調(diào)整

　　起偏振鏡位置調(diào)整好后，裝入檢偏振鏡，調(diào)節(jié)檢偏振鏡的位置，當(dāng)在目鏡中觀察到最暗的消光現(xiàn)象時(shí)，就是檢偏振鏡與偏振鏡正交的位置。在實(shí)際觀察中，常將檢偏振鏡作一個(gè)小角度的偏轉(zhuǎn)，以增加顯微組織的襯度。其偏轉(zhuǎn)的角度由刻度盤上的刻度指示出來。若將檢偏振鏡在正交位置轉(zhuǎn)動(dòng)90°，則兩偏振鏡振動(dòng)軸平行，這時(shí)和一般光線下照明的效果相同。

　　許多金相顯微鏡在出廠時(shí)已經(jīng)把起偏振鏡或偏振鏡的振動(dòng)軸的方向固定好，只要調(diào)節(jié)另一個(gè)偏振鏡的位置就可以了。

　　三、 物臺(tái)中心位置的調(diào)整

　　利用偏振光鑒別物相時(shí)，經(jīng)常需要將載物臺(tái)作360°旋轉(zhuǎn)，為使觀察目標(biāo)在載物臺(tái)旋圍時(shí)不離開視域，在使用前必須調(diào)節(jié)載物臺(tái)的機(jī)械中心與顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)主軸重合。一般是通過載物臺(tái)上的對(duì)中螺釘進(jìn)行調(diào)整。

　　四、 偏振光照明下的色彩(色偏振)

　　以上都是討論在單色偏振光照明下的情況，如果考慮到偏振光波長(zhǎng)的影響，即用白色偏振光照明，會(huì)產(chǎn)生色彩。

　　在金相顯微鏡中進(jìn)行正交偏振光的觀察時(shí)，在光程中插入靈敏色片(目前多用λ=5760nm的全波片)后，各向異性的金屬不同晶粒會(huì)出現(xiàn)不同的顏色。觀察各向同性金屬時(shí)，不加入靈敏色片，也會(huì)有不同顏色，但色彩不豐富。加入全波片后，色彩變得鮮艷。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)或靈敏色片，晶粒的顏色隨之變化，這主要是由于偏振光干涉的結(jié)果。

　　偏光顯微鏡也和一般顯微鏡照明一樣，分為明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明兩種照明方式。

　　材料顯微組織的顯示

　　1.各向異性材料組織的顯示

　　根據(jù)偏振光的反射原理，在各向異性的金屬內(nèi)部由于各晶粒的位向不同，干涉后的偏振光的振動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)角度不同，在正交的偏振光下則可以顯示出不同的亮度。具有同樣亮度的晶粒光軸一席話同接近，所以根據(jù)晶粒的明暗程度還可以判斷晶粒的位向。對(duì)各向異性的金屬磨面經(jīng)拋光后不腐蝕就可以看到明暗不同的晶粒，這一點(diǎn)對(duì)難腐蝕出清晰組織的材料來說，是十分有利的分析途徑。

　　例如，球墨鑄鐵的組織中的石墨屬于六方點(diǎn)陣，是各向異性的物質(zhì)，在同一石墨球中具有許多不同位向的石墨晶粒，這些石墨晶粒在偏振光下可顯示不同的亮度，從而分辨出石墨晶粒的方位、球狀和大小。如圖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。如圖7(b)所示。

　　2.各向同性材料組織的顯示

　　偏振光在各向同性材料表面發(fā)生反射，其振動(dòng)方向一般不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在正交的偏振鏡下可看到黑韶關(guān)的消光現(xiàn)象。但是金屬一般有很強(qiáng)的反射本領(lǐng)，光線在試樣磨面上的反射強(qiáng)度與光線的入射角及波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)平行于光的入射面和垂直于光的入射面的光線的反射也有差別。圖8表示了銅對(duì)光的反射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系。其中R//與Δ;//代表了振動(dòng)面與入射面平行的光的反射系數(shù)和相位差。代表了振動(dòng)面與入射面垂直的反射系數(shù)和相位差。從圖中可以看出光線直射時(shí)(入射角等于0)兩個(gè)振動(dòng)面上的光反射系數(shù)相等，相位差為0，光的振動(dòng)方向不發(fā)生變化，即產(chǎn)生消光現(xiàn)象。當(dāng)入射角從0°到90°變化時(shí)，反射系數(shù)發(fā)生變化，可以通過正交的偏振鏡而看到明暗不同的晶粒。

　　利用上述可以對(duì)各向同性的材料進(jìn)行深腐蝕，露出一定的原子排列面。例如鋁在深腐蝕后可露出原子最密排列的(111)面，這些晶面位向不同，故偏振光斜射時(shí)，入射角度不同，兩分量的相位差不同，因而能看到不同亮度的晶粒。圖9表示了各向同性材料表面反射光相位差隨入射角變化的情況。

非金屬夾雜物的鑒定

　　1.夾雜物各向同性與各向異性的鑒別

　　夾雜物按光學(xué)性質(zhì)可分為各向異同性和各幾異性兩大類，這兩類夾雜物可在偏振光下鑒別。表1給出了鋼中常見夾雜物的性能和特征。表2給出了在暗場(chǎng)及偏振光下系統(tǒng)鑒定夾雜物程序表。

　　各向同性的夾雜物在正交偏振光下，看到黑暗的消光現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)一周(360°;)時(shí)，其亮度不發(fā)生變化。各向異性的夾雜物在正交偏振光下不發(fā)生消光現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)一周(360°)時(shí)會(huì)看到四次消光和四次最亮的現(xiàn)象。對(duì)某些弱各向異性的夾雜物，可使檢偏振鏡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小的角度θ;，在偏振鏡下完全正交下觀察。在轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，弱各向異性的夾雜物出現(xiàn)兩次消光和兩次最亮的現(xiàn)象。

　　2.夾雜物的透明度及固有色彩的顯示

　　在非金屬夾雜物中，不少是透明并帶有色彩的，但一般顯微鏡明場(chǎng)照明時(shí)，光線透過夾雜物并在與金屬基體的交界面處反射出來，夾雜物一般比較細(xì)小，其反射光與基體的反射光混淆在一起，因此，不能分辨出夾雜物的透明度及固有色彩。在正交的偏振光下，金屬基體為各向同性，反射光被正交的偏振鏡阻擋，呈黑暗的消光現(xiàn)象。而夾雜物處的反射光由于華僑入射的結(jié)果而能透過正交的偏振鏡，從而能夠顯示出夾雜物的本來面目。

　　3.“黑十字”特征

　　各向同性的球形透明夾雜物在正交偏振光下會(huì)呈現(xiàn)“黑十字”現(xiàn)象。這是由于透明夾雜物的規(guī)則外形所決定的。因?yàn)閵A雜物為球狀，偏振光射到夾雜物與基體交界處被反射出來，相當(dāng)于偏振光斜射到晶體表面，反射光出現(xiàn)相位差別改變了其振動(dòng)方向，能夠通過正交的檢偏振鏡。而與偏振光的振動(dòng)方向平行或垂直的兩個(gè)入射面不改變其振動(dòng)方向，反射光則不能通過正交的檢偏振鏡，觀察到的是黑暗的消光現(xiàn)象，使透明的球形夾雜物出現(xiàn)“黑十字”特征。當(dāng)球形夾雜物的外形遭到破壞后，“黑十字”特征也隨之消失。圖10為鋼中球形SiO2夾雜物。