第五章反光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用.docVIP

第五章 反光偏振光显微镜的原理及其在材料研究中的应用 5-1 偏振光的基础知识 一、自然光和偏振光 光是一种电磁波，属于横波(振动方向与传播方向垂直)。一切实际的光源，如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。这些光都是大量原子、分子发光的总和。虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致，但各个原子和分子发出的振动方向也不同，这种变化频率极快，因此，自然光是各个原子或分子发光的总和，可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。 自然光在窗过某些物质，经过反射、折射、吸收后，电磁波的振动哥以被限制在一个方向上，其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。 二、直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光 1．直线偏振光 直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内，所以这偏振光又叫作平面偏振光。正对光的传播方向看去，这种光的振动方向是一条直线，因此又叫直线偏振光或线偏振光。如图5-1所示。 2．圆偏振光和椭圆偏振光 (1) 光的双折射现象和晶体的光轴 当一束光线射入各向异性的晶体中时要分裂为两束沿不同方向传播的挑线，这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。这两束光线之一恒遵守光的折射定律，在改变入射方向时传播速度不发生变化，这条光线称为寻常光线，用o表示；另一束光线不遵守折射定律，当入射光线方向变化时，它的传播速度也随之变化，光的折射率不同，这束光称为非常光线，用e来表示。 在各向异性晶体中，存在有某些特殊方向，在这些方向上不发生双折射，寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同，这些方向称为晶体的光轴，有一个光轴的晶体叫一轴晶，有两个光轴的晶体叫二轴晶。对于二轴晶，双折射后的两束光线均为非常为光线。 (2) 波晶片 波晶片简称波片，可用来改变或检验光的偏振情况。当自然光沿一轴晶光轴入射时，不发生双折射现象。如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播，但传播速度和折射率不同，且传播速度相差最大。如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片，这时晶片表面与光轴平持，这样制得的晶片叫波晶片。当偏振光垂直于波片光轴入射时，在波片内形成传播方向相同但传播速度不同的o光和e光。如果波片越厚，o光和e光线波波长的整数倍，这种波片叫全波片。依此类推，还有半波片和1/4波片等等。 (3) 圆偏振光和椭圆偏振光的形成 一束自然光以垂直于一轴晶的光轴方向入射所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。因为自然光是由光源中的不同分子和原子产生的，没有固定的位相差，所以不发生干涉。但是当一束单色偏振光通过双折射物质后，所产生的两束偏振光是可以相干的。相当于两个互相垂直的同周期的振动的合成。 当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时产生两束偏振光(o光和e光)。由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。O光和e光的相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。设No、Ne分别为o光和e光的折射率，d为晶片的厚度，所产生的相位差为Δφ。则。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当Δφ为π/2的偶数倍时可产生直线偏振光；当Δφ为π/2的奇数倍时，可产生圆偏振光；当Δφ不是π/2的整数倍时均可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆，椭圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个椭圆。圆偏振光和椭圆偏振光在每一瞬间只有一个振动方向，所以仍属偏振光。如图5-2所示。 3．起偏振镜和检偏振镜 偏振光可用尼科尔棱镜和偏振片得到。 尼科耳棱镜是由方解石晶体做成。图5-3中(a)为方解石的双折射现象，(b)为尼科耳棱镜的主截面图。取长度约三倍于厚度的方解石晶体，两端的天然而原来与底边成71°的角，经研磨后成68°角，然后将晶体剖开，成两块直角棱镜，再用加拿大树胶将剖面粘合成一长方柱形棱镜。将侧面CN涂黑，就制成了尼科耳棱镜。加拿大树胶为光性均质体对于黄绿光的折射率n=1.540，这个折射率恰好在方解石对这种颜色的o光的折射率No=1.6583与平行于CN面的该种颜色的e光的折射率Ne=1.5159之间。当一束平行于CN面的黄绿自然光由第一块棱镜的AC面入射在方解石内部发生双投射现象时，分成为o光和e光。由于o光射到加拿大树胶的胶合面上的入射角约为76°，超过了树胶与方解石对o光的临界角69°，会发生全反射，被涂黑的CN面吸收。E光折射后方向仍近近似与CN面平行，方解石对这一方向上的非常光线的折射率比树胶的折射率小，所以不会发生会反射，而穿过树胶层进入 第二块棱镜，然后从MN面上射出而获得一否偏振光。其振动面在棱镜的主截面内，在图3(b)中用短线表示。 尼科