光学显微分析.doc

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1、光学显微分析一、概述自古以来，人们就对微观世界充满了敬畏和好奇心。光学显微分析技术则是人类打开微观物质世界之门的第一把钥匙。通过五百多年来的发展历程，人类利用光学显微镜步入微观世界，绚丽多彩的微观物质形貌逐渐展现在人们的面前。15世纪中叶，斯泰卢蒂（FrancescoStelluti）利用放大镜，即所谓单式显微镜研究蜜蜂，开始将人类的视角由宏观引向微观世界的广阔领域。此后，人们从简单的单透镜开始学会组装透镜具组，进而学会透镜具组、棱镜具组、反射镜具组的综合使用。约在1590年，荷兰的詹森父子（HansandZachariasJanssen）创造出最早的复式显微镜。1

2、7世纪中叶，物理学家胡克（R.Hooke）设计了第一台性能较好的显微镜，此后惠更斯（ChristiaanHuygens）又制成了光学性能优良的惠更斯目镜，成为现代光学显微镜中多种目镜的原型，为光学显微镜的发展作出了杰出的贡献。19世纪德国的阿贝（ErnstAbbe）阐明了光学显微镜的成像原理，并由此制造出的油浸系物镜，使光学显微镜的分辨本领达到了0.2微米的理论极限，制成了真正意义的现代光学显微镜。目前，光学显微镜已由传统的生物显微镜演变成诸多种类的专用显微镜，按照其成像原理可分为：①几何光学显微镜：包括生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜

3、等。②物理光学显微镜：包括相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。③信息转换显微镜：包括荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。随着显微光学理论和技术的不断发展，又出现了突破传统光学显微镜分辨率极限的近场光学显微镜，将光学显微分析的视角伸向纳米世界。在材料科学领域中，大量的材料或生产材料所用的原料都是由各种各样的晶体组成的。不同材料的晶相组成直接影响到它们的结构和性质；而生产材料所用原料的晶相组成及其显微结构也直接影响着生产工艺过程及产品性能。因此对于各种材料及其原料的性能、质

4、量的评价，除了考虑其化学组成外，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。所谓显微结构就是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以及它们之间的相互关系。利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究材料和其原料的物相组成及显微结构，并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性能间的关系。二、晶体光学基础（一）光的物理性质光是键合电子在原子核外电子能级之间激发跃迁产生的自发能量变化，导致发射或吸收辐射能的一种形态。在麦克斯韦电磁理论中，认为光是叠加的振荡电磁场承载着能量以连续波的形式通过空间。而按照量子理论，光能量是由一束具有极小能量的微粒即"光子"不连续地输送着，表明光具有微粒与波动

5、的双重性，即波粒二象性。由于光学显微分析所观察到的光与物质的相互作用效应，在特性上像波，故利用光的波动学说解决晶体光学问题。电磁波在空间的传播过程中，电磁场振动垂直其传播方向，因此光是横波，即光波振动与传播方向垂直。电磁波的范围极为广泛，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。它们的本质完全相同，只是波长（或频率）不同而特性也不同。按照它们的波长大小依次排列便构成一个电磁波谱，如图2.1所示。从电磁波谱中可以看出，可见光只是整个电磁波谱中波长范围很窄的一段，其波长约为3900到7700埃。这一小波段电磁波能引起视觉、故称为可见光波。不同波长的可见光波

6、作用在人的视网膜上产生的视觉不一样，因而产生各种不同的色彩。当波长由大变小时．相应的颜色由红经橙、黄、绿、蓝、靛连续过渡到紫。各种颜色的大致波长范围如图2.1所示。通常所见的"白光"实质上就是各种颜色的光按一定比例混合成的混合光。图2.1电磁波普根据光波的振动特点，光又可以分成自然光和偏光两种。所谓自然光就是从普通光源发出的光波，如太阳光、灯光等。光是由光源中的大量分子或原子辐射的电磁波的混合波，光源中的每一个分子或原子在某一瞬间的运动状态各不相同，因此发出的光波振动方向也各不相同。因此自然光的振动具有两方面的性质：一方面它和光波的传播方向垂直，另一方面它又迅速地变

7、换着自己的振动方向，也就是说自然光在垂直于光的传播方向的平面内的任意方向振动。如图2.2a所示。由于发光单元的数量极大，因此自然光各个方向上振动的几率相同，在各个方向上的振幅也相等。图2.2自然光和偏振光振动示意图a.自然光b.偏振光偏振光是自然光经过某些物质的反射、折射、吸收或其它方法，使它只保留某一固定方向的光振动，如图2.2b所示。偏振光的光振动方向与传播方向组成的平面称为振动面。由此也将偏振光称为平面偏光，简称偏光。（二）光与固体物质的相互作用一束光入射到固体物质的表面，会产生光的折射、反射和吸收等现象，其折射、反射和吸收性能和光的性能、入射方法及固体物