偏光顯微鏡的原理

(一)偏振光在金屬磨面上的反射

金屬材料按它的晶體結(jié)構(gòu)不同可分各向同性與各向異性。凡屬立方點(diǎn)陣的金屬都具有各向同性的特征，一般情況下對偏振光不起作用；非立方點(diǎn)陣的金屬，如正方晶系，六方晶系，三斜晶系均屬各向異性類，對偏振光極為靈敏。下面討論偏振光在金屬磨面上的反射情況。

1．偏振光在各向異性金屬磨面上的反射

隨晶粒位向的不同，光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。我們用光矢量進(jìn)行分析：反射光將分別平行或垂直于晶體光軸。如圖1所示，以R表示平行光軸的反射光強(qiáng)度，以S表示垂直光軸的反射光強(qiáng)度。基于各向異性的原則必有R>S(對正光性晶體R>S，而負(fù)光性晶體則S>R)。

圖1 偏振光在各同異性金屬表面反射的光矢量分析

當(dāng)強(qiáng)度為P，偏振方向?yàn)镻P的偏振光以與光軸成夠角垂直照到晶體表面時(shí)，將分成二個(gè)相互垂直的分振動(dòng)Pcosφ和Psinφ，那么它的反射光矢量(強(qiáng)度)就分別變?yōu)镽?Pcosφ和S.Psinφ，由于R>S，所以R?Pcosφ與S?Psinφ合成后的反射偏振光矢量P，P，不再沿PP方向，而是向R方向轉(zhuǎn)了一個(gè)角度w。振動(dòng)面轉(zhuǎn)角叫的大小與夠有關(guān)：

當(dāng)φ=n.π/2時(shí)(n為整數(shù))，因有R=0或S=0，所以叫w=0振動(dòng)面不發(fā)生旋轉(zhuǎn)；

當(dāng)φ=π/4，π3/4，π5/4，π7/4時(shí)，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)動(dòng)Zui大。振動(dòng)面的轉(zhuǎn)動(dòng)在偏光觀察中將有什么效果呢?當(dāng)起偏鏡與檢偏鏡成正交位置時(shí)，由于振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使反射偏振光與檢偏鏡改變正交位置，部分光線就能通過檢偏鏡。振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)愈大，通過的光線就愈多。

當(dāng)φ=π/4,π3/4,5/4π,π7/4時(shí)，wZui大，得到Zui大的光強(qiáng)；當(dāng)夠φ=0，π/2，π，π3/2時(shí)，w=0，就沒有光線能通過檢偏鏡，觀察到黑暗的消光現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，相當(dāng)改變振動(dòng)面與晶體光軸的夾角φ，在360°中觀察到四次明亮四次黑暗。由此可以推想：在正交偏振光下能直接觀察到一個(gè)各向異性多晶體磨面的組織，而不需進(jìn)行化學(xué)浸蝕。因?yàn)槟ッ嫔厦總€(gè)晶粒的光軸各不一致，則φ角大小不等，60的轉(zhuǎn)動(dòng)亦不相同，故有晶粒明暗的差別。

2．偏振光在各向同性金屬磨面上的反射

各向同性的金屬，由于各方向光學(xué)性質(zhì)是一致的，用光矢量分析則有R=S，因此不能使反射偏振光的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)，在正交偏振光下不能通過檢偏鏡。轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)(即改變?chǔ)战谴笮?始終只能看到一片黑暗。如果想在偏振光下研究各向同性金屬的組織，需采用改變原光學(xué)性質(zhì)的特殊方法加以補(bǔ)救：如深浸蝕法或表面進(jìn)行陽極化處理。

(二)偏振光透過各向異性晶體后的反射

偏振光透過各向異性的晶體時(shí)，由于這種晶體的折射率橢球的切面為橢圓(僅入射光波平行晶體光軸時(shí)除外)，自起偏鏡透出的偏振光射入晶體中必然發(fā)生雙折射，產(chǎn)生振動(dòng)方向分別平行于橢圓長短半軸的兩種偏振光-o光和e光；只有當(dāng)橢圓長短半軸與起偏鏡振動(dòng)方向平行時(shí)，起偏鏡透出的偏振光才能透過晶體而不發(fā)生雙折射，且不改變原來振動(dòng)方向，顯然，透不過檢偏鏡。現(xiàn)在討論偏振光射入晶體中發(fā)生雙折射的情況：首先，發(fā)生雙折射分解出的。光和e光遇到晶體與金屬基體介面后將發(fā)生反。隨后，o光、e光經(jīng)反射將在晶體表面合成。因?yàn)閛光和e光振動(dòng)方向互相垂直、振動(dòng)頻率相同，又由于o光、e光傳播速度不等，通過二倍晶體厚度的距離后必有光程差。光程差△L=(ne-no)?2d.d為晶體厚度。

由偏振光的干涉可知：

(1)當(dāng)△L=λ/2，出射光合成為線偏振光。

(2)當(dāng)△L=λ/4，入射偏振光振動(dòng)面與晶體光軸成45°時(shí)，出射光合成為圓偏振光。

(3)當(dāng)△L=λ/4以外的其他值時(shí)，出射光合成為橢圓偏振光。實(shí)際金屬磨面上晶體厚度不等，如圖2所示，各處的d值不等。故o光、e光經(jīng)晶體與金屬基體介面反射后于晶體表面出射光的合成為橢圓偏振光。能通過正交位置的檢偏鏡觀察到明亮；只有晶體的折射率橢圓長短半軸與起偏鏡振動(dòng)方向平行時(shí)，光線透不過檢偏鏡，因而視場黑暗。旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)一周，有四次平行機(jī)會(huì)，因而視場將發(fā)生四次消光。

圖2

圖3

(三)偏振光下透明物相的特殊光學(xué)效應(yīng)

1. 顯示透明度及色彩

金屬的組成相是不透明的，在偏振光下只能靠金屬磨面的反射規(guī)律觀察與鑒別。而另有透明物相在偏振光下易于觀察的原因可由圖2說明：當(dāng)試樣被線偏振光照明時(shí)，從平滑外表面反射的光線仍為線偏振光，不能通過處于正交位置的檢偏鏡，呈現(xiàn)黑暗；但在透明物相處光線既在外表面反射，又在透明物相內(nèi)折射，折射至透明物相與基體界面處產(chǎn)生不規(guī)則的內(nèi)反射，因而改變了入射光的振動(dòng)方向，故通過檢偏鏡可觀察到物相的顏色與亮度，一些物相，如鋼或合金中的某些夾雜物是透明的，并有其固有顏色(又稱體色)。后者即屬我們所指的透明物相。下面以夾雜物為例說明其偏振光下的特殊光學(xué)效應(yīng)。

(1)各向同性體在偏振光下觀察到的顏色與暗場下一致，即為白光照明時(shí)，透射光所顯示的顏色一體色；

(2)各向異性透明物相在偏振光下觀察的顏色包括體色和表色。體色與不規(guī)則內(nèi)反射有關(guān)，表色與磨面反射時(shí)發(fā)生振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)有關(guān)。因此，只有在消光位置才能觀察到體色。

2．黑十字效應(yīng)與等色環(huán)

透明球狀?yuàn)A雜物在正交偏振光下可看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象——呈現(xiàn)黑十字效應(yīng)：黑十字由相互垂直的兩條黑帶組成，十字交點(diǎn)位于物象中心。

當(dāng)一束線偏振光垂直投射在試樣表面時(shí)，入射光在球狀透明體與基體界面處發(fā)生內(nèi)反射，由于分界面為半球面，各方向的反射都有，因此仍有一定強(qiáng)度的光可通過正交位置的檢偏鏡。但有兩個(gè)方向是例外的，即與振動(dòng)面平行的入射面及與振動(dòng)面垂直的入射面，這兩個(gè)方位的反射光仍為線偏振光，不能通過正交位置的檢偏鏡。使球狀透明體呈現(xiàn)黑十字特征。

顯然，黑十字的方位是與正交位置的起偏鏡、檢偏鏡振動(dòng)方向相對應(yīng)的。此外，正交偏振光下還有一種特殊的光學(xué)效應(yīng)：在夾雜物的象上出現(xiàn)等色同心環(huán)。這是夾雜物內(nèi)外表面反射光之間產(chǎn)生等厚干涉引起的。當(dāng)利用自然光照明時(shí)也會(huì)看到同樣現(xiàn)象。

由黑十字效應(yīng)及同心環(huán)的成因可知：這兩種特殊的光學(xué)效應(yīng)只與物相(如夾雜物)是透明的、形狀為球形有關(guān)。形狀破壞，效應(yīng)消失；而與物相是否各向異性無關(guān)