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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（Francesco Stelluti）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（Hans and Zacharias Janssen）创造出最早的复式显微镜。17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（Christiaan Huygens）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（Ernst Abbe）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、入射方法及固体物质性质有关。

1. 光的折射

无论光是自然光还是偏光，当它从一种介质传到另一介质时，在两介质的分界面上将产生反射和折射现象。反射光将按照反射定律反射回原介质中。而折射光将从一种介质传播到另一种介质中。
光从一种介质进入到另一种介质而发生折射时，入射线、折射线和两种介质分界面的法线同在一个平面内。入射线a与折射面AB法线N的夹角称入射角i，折射线b与法线N的夹角称折射角r。入射角的正弦与折射角的正弦之比等于光波在入射介质中的波速与折射介质中的波速之比，此比值称为折射介质对入射介质的相对折射率，如图2.3所示，称为折射定律。折射定律可以借惠更斯波前原理证明并可用下列公式表示： 图2.3 光的折射

(2.1)

式中：Vi为光在入射介质中的速度；Vr为光在折射介质中的速度；N称为折射介质对入射介质的相对折射率（又称折光率）。
如果入射介质为真空，则N称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。
从上式可以看出，介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率愈小；相反，如介质中光传播的速度愈小，则该介质的折射率愈大。即介质的折射率与光在介质中的传播速度成反比（Vi/Vr=Nr/Ni）。
光在真空中的传播速度最大，而光在空气中的传播速度与光在真空中的传播速度几乎相等．因此通常也可将空气的折射率视为1(严格说空气的折射率应为1.003)。在其它各种液体和固体中，光的传播速度总是小于真空中光的传播速度，故它的折射率总是大于1。
同一介质的折射率因所用光波的波长而异，这种性质称为折射率色散。对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。在可见光谱中，紫光波长最短，红光波长最长。因此同一介质在紫光中测定的折射率最大，而在红光中测定的折射率最小，用其它色光测得的折射率值介于两者之间。
晶体的折射率色散能力，是指晶体在两种波长光波中测定的折射率的差值。差值越大，色散能力越强，反之则越弱。如萤石的色散能力很小，N紫-N红=0.00868；而金刚石的色散能力很强，N紫-N红=0.05741。此外，不同物态的介质，色散能力也有差异。一般来讲液体的色散能力较固体强，这对于用油浸法测定晶体的折射率很重要。为了不受色散的影响，测定折射率时，宜在单色光中进行，通常就是利用黄色光，即用钠光灯作光源（波长在可见光谱的中部）。在一般文献中列出的矿物折射率值，都是指黄色光中测定的数值。