| 偏光顯微鏡原理及應(yīng)用（三） |
| 時間： 2010-5-4 14:13:48 來源： 中國材料顯微鏡網(wǎng) 作者： admin 點(diǎn)擊： 1395 次 |
| 2.3 光學(xué)顯微分析方法 光學(xué)顯微分析是利用可見光觀察物體的表面新貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鑒定晶體的光學(xué)性質(zhì)。透明晶體的觀察可利用透射顯微鏡，如偏光顯微鏡。而對于不透明物體來說就只能使用反射式顯微鏡，即金相顯微鏡。利用偏光顯微鏡和金相顯微鏡進(jìn)行晶體光學(xué)鑒定，是研究材料的重要方法之一。 2.3.1 偏光顯微鏡 偏光顯微鏡是目前研究材料晶相顯微結(jié)構(gòu)最有效的工具之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，偏光顯微鏡技術(shù)在不斷地改進(jìn)中，鏡下的鑒定工作逐步由定性分析發(fā)展到定量鑒定，為顯微鏡在各個科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。 2.3.1.1 偏光顯微鏡的構(gòu)成 偏光顯微鏡的類型較多，但它們的構(gòu)造基本相似。下面以XPT—7型偏光顯微鏡（圖2.13）為例介紹其基本構(gòu)成： 鏡臂：呈弓形，其下端與鏡座相聯(lián)，上部裝有鏡筒。  1、目鏡，2、鏡筒，3、勃氏鏡，4、粗動手輪，5、微調(diào)手輪，6、鏡臂，7、鏡座，8、上偏光鏡，9、試板孔，10、物鏡，11、載物臺，12、聚光鏡，13、鎖光圈，14、下偏光鏡，15、反光鏡 反光鏡：是一個擁有平、凹兩面的小圓鏡，用于把光反射到顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)中去。當(dāng)進(jìn)行低倍研究時，需要的光量不大，可用平面鏡，當(dāng)進(jìn)行高倍研究時，使用凹鏡使光少許聚斂，可以增加視域的亮度。 下偏光鏡：位于反光鏡之上、從反光鏡反射來的自然光，通過下偏光鏡后，即成為振動方向固定的偏光，通常用PP代表下偏光鏡的振動方向。下偏光鏡可以轉(zhuǎn)動，以便調(diào)節(jié)其振動方向。 鎖光圈：在下偏光鏡之上?？梢宰杂砷_合，用以控制進(jìn)入視域的光量。 聚光鏡：在鎖光圈之上。它是一個小凸透鏡，可以把下偏光鏡透出的偏光聚斂而成錐形偏光。聚光鏡可以自由安上或放下。 載物臺：是一個可以轉(zhuǎn)動的圓形平臺。邊緣有刻度（0-360°），附有游標(biāo)尺，讀出的角度可精確至1/10度。同時配有固定螺絲，用以固定物臺。物臺中央有圓孔，是光線的通道。物臺上有一對彈簧夾，用以夾持光片。 鏡筒：為長的圓筒形，安裝在鏡臂上。轉(zhuǎn)動鏡臂上的粗動螺絲或微動螺絲可用以調(diào)節(jié)焦距。鏡筒上端裝有目鏡，下端裝有物鏡，中間有試板孔、上偏光鏡和勃氏鏡。 物鏡：由l-5組復(fù)式透鏡組成的。其下端的透鏡稱前透鏡，上端的透鏡稱后透鏡。前透鏡愈小，鏡頭愈長，其放大倍數(shù)愈大。每臺顯微鏡附有3-7個不同放大倍數(shù)的物鏡。每個物鏡上刻有放大倍數(shù)、數(shù)值孔徑（N.A）、機(jī)械筒長、蓋玻璃厚度等。數(shù)值孔徑表征了物鏡的聚光能力，放大倍數(shù)越高的物鏡其數(shù)值孔徑越大，而對于同一放大倍數(shù)的物鏡，數(shù)值孔徑越大則分辨率越高。 目鏡：由兩片平凸透鏡組成，目鏡中可放置十字絲、目鏡方格網(wǎng)或分度尺等。顯微鏡的總放大倍數(shù)為目鏡放大倍數(shù)與物鏡放大倍數(shù)的乘積。 上偏光鏡：其構(gòu)造及作用與下偏光鏡相同，但其振動方向（以AA表示）與下偏光鏡振動方向（以PP表示）垂直。上偏光鏡可以自由推入或拉出。 勃氏鏡：位于目鏡與上偏光鏡之間，是一個小的凸透鏡，根據(jù)需要可推入或拉出。 此外，除了以上一些主要部件外，偏光顯微鏡還有一些其他附件，如用于定量分析的物臺微尺、機(jī)械臺和電動求積儀，用于晶體光性鑒定的石膏試板、云母試板、石英楔補(bǔ)色器等。 利用偏光顯微鏡的上述部件可以組合成單偏光、正交偏光、錐光等光學(xué)分析系統(tǒng)，用來鑒定晶體的光學(xué)性質(zhì)。 2.3.1.2 單偏光鏡下的晶體光學(xué)性質(zhì) 利用單偏光鏡鑒定晶體光學(xué)性質(zhì)時，僅使用偏光顯微鏡中的下偏光鏡，而不使用錐光鏡、上偏光鏡和勃氏鏡等光學(xué)部件，利用下偏光鏡觀察、測定晶體光學(xué)性質(zhì)。單偏光下觀察的內(nèi)容有：晶體形態(tài)、晶體顆粒大小、百分含量、解理、突起，糙面、貝克線以及顏色和多色性等。 （1） 晶體的形態(tài) 每一種晶體往往具有一定的結(jié)晶習(xí)性，構(gòu)成一定的形態(tài)。晶體的形狀、大小、完整程度常與形成條件、析晶順序等有密切關(guān)系。所以研究晶體的形態(tài)，不僅可以幫助我們鑒定晶體，還可以用來推測其形成條件。需要注意的是，在偏光顯微鏡中見到的晶體形態(tài)并不是整個立體形態(tài)，僅僅是晶體的某一切片。切片方向不同，晶體的形態(tài)可完全不同。 在單偏光中還可見晶體的自形程度，即晶體邊棱的規(guī)則程度。根據(jù)其不同的形貌特征可將晶體劃分下列幾個類型：  自形晶：光片中晶形完整，一般呈規(guī)則的多邊形（圖2.14a），邊棱全為直線。析晶早、結(jié)晶能力強(qiáng)、物理化學(xué)環(huán)境適宜于晶體生長時，便形成自形晶。 半自形晶：光片中晶形較完整，但比自形晶差，（圖2.14b），部分晶棱為直線，部分為不規(guī)則的曲線。半自形晶往往是析晶較晚的晶體。 它形晶：光片中晶形呈不規(guī)則的粒狀，晶棱均為它形的曲線（圖2.14c）。它形晶是析晶最晚或溫度下降較快時析出的晶體。 由于析晶時物質(zhì)成分的粘度和雜質(zhì)等因素的影響，還會形成一些奇形的晶體。這些晶體在光片中呈雪花狀、樹枝狀、鱗片狀和放射狀等形態(tài)的骸晶。這在玻璃結(jié)石中較為常見。 此外，在鏡下常能見到一個大晶體包裹著一些小晶體或其他物質(zhì)，稱之為包裹體。包裹體可以是氣體、液體、其他晶體或同種晶體。從包裹體的成分和形態(tài)可以分析出晶體生長時的物理化學(xué)環(huán)境，成為物相分析的一個重要依據(jù)。 （2） 晶體的解理及解理角 晶體沿著一定方向裂開成光滑平面的性質(zhì)稱為解理。裂開的面稱為解理面。解理面一般平行于晶面。許多晶體都具有解理，但解理的方向、組數(shù)（沿幾個方向有解理）及完善程度不一樣，所以解理是鑒定晶體的一個重要依據(jù)。解理具有方向性，它與晶面或晶軸有一定關(guān)系。  晶體的解理在光片中是一些平行或交叉的細(xì)縫（解理面與切面的交線），稱為解理縫。根據(jù)解理發(fā)育的完善程度，可以劃分為極完全解理（2.15a）、完全解理（2.15b）和不完全解理（2.15c）三類。有些晶體具有兩組以上解理，可以通過測定解理角來鑒定晶體。 （3） 顏色和多色性 光片中晶體的顏色，是晶體對白光中七色光波選擇吸收的結(jié)果。如果晶體對白光中七色光波同等程度的吸收，透過晶體后仍為白光，只是強(qiáng)度有所減弱，此時晶體不具顏色，為無色晶體。如果晶體對白光中的各色光吸收程度不同，則透出晶體的各種色光強(qiáng)度比例將發(fā)生改變，晶體呈現(xiàn)特定的顏色。光片中晶體顏色的深淺，稱為顏色的濃度。顏色濃度除與該晶體的吸收能力有關(guān)外，還與光片的厚度有關(guān)，光片越厚吸收越多，則顏色越深。 均質(zhì)體晶體是光學(xué)各向同性體，其光學(xué)性質(zhì)各方向一致，故對不同振動方向的光波選擇吸收也相同，所以均質(zhì)體晶體的顏色和濃度，不因光波的振動方向而發(fā)生變化。但部分非均質(zhì)體晶體的顏色和濃度是隨方向而改變的。在單偏光鏡下旋轉(zhuǎn)物臺時，非均質(zhì)體晶體的顏色和顏色深淺要發(fā)生變化。這種由于光波和晶體中的振動方向不同，使晶體顏色發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為多色性；顏色深淺發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為吸收性。一軸晶晶體允許有兩個主要的顏色，分別與Ne、No相當(dāng)。二軸晶允許有三個主要的顏色，分別與光率體三主軸Ng、Nm、Np相當(dāng)。晶體的多色性或吸收性可用多色性公式或吸收性公式來表示，如普通角閃石的多色性公式為Ng=深綠色，Nm=綠色，Np=淺黃綠色。 （4） 貝克線、糙面、突起及閃突起 在光片中相鄰兩物質(zhì)間，會因折射率不同而發(fā)生由折射、反射所引起的一些光學(xué)現(xiàn)象。 在兩個折射率不同的物質(zhì)接觸處，可以看到比較黑暗的邊緣，稱為晶體的輪廓。在輪廓附近可以看到一條比較明亮的細(xì)線，當(dāng)升降鏡筒時，亮線發(fā)生移動，這條較亮的細(xì)線稱為貝克線。 貝克線產(chǎn)生的原因主要由于相鄰兩物質(zhì)的折射率不等，光通過接觸介面時，發(fā)生折射、反射所引起的（圖2.16）。按兩物質(zhì)接觸關(guān)系有下列幾種情況： 相鄰兩晶體傾斜接觸，折射率大的晶體蓋在折射率小的晶體之上（圖2.16a），平行光線射到接觸面上，光由疏介質(zhì)進(jìn)入密介質(zhì)，光靠近法線方向折射，光線均向折射率高的一邊折射，致使晶體的一邊光線增多而亮度增強(qiáng)，另一邊光線減弱。所以在二物質(zhì)交界處出現(xiàn)較亮的貝克線和較暗的輪廓。  相鄰兩晶體傾斜接觸，折射率小的晶體蓋在折射率大的晶體之上，若接觸面較緩（圖2.16b），平行光線射到接觸面上，光由密介質(zhì)進(jìn)入疏介質(zhì)，光遠(yuǎn)離法線方向折射，光線均向折射率高的一邊折射。 不管二介質(zhì)如何接觸；貝克線移動的規(guī)律總是：提升鏡簡，貝克線向折射率大的介質(zhì)移動。根據(jù)貝克線移動規(guī)律，可以比較相鄰二晶體折射率的相對大小。在觀察貝克線時，適當(dāng)縮小光圈，減低視域的亮度，使貝克線能清楚地看到。 在單偏光鏡下觀察晶體表面時，可發(fā)現(xiàn)某些晶體表面較為光滑，某些晶體表面顯得粗糙呈麻點(diǎn)狀，好像粗糙皮革一樣，這科現(xiàn)象稱為糙面。 糙面產(chǎn)生的原因是晶體光片表面具有一些顯微狀的凹凸不平，覆蓋在晶體之上的樹膠，其折射率又與晶體折射率不同，光線通過二者的接觸面時，發(fā)生折射，甚至全反射作用，致使光片中晶體表面的光線集散不一，而顯得明暗程度不相同，給人以粗糙的感覺。 同時，在晶體形貌觀察時還會感覺到不同晶體表面好象高低不平。某些晶體顯得高一些，某些晶體顯得低平一些，這種現(xiàn)象稱為突起。突起僅僅是人們視力的一種感覺，因?yàn)樵谕还馄?，各個晶體表面實(shí)際上是在同—水平面上，這種視覺上的突起主要是由于晶體折射率與周圍樹膠折射率不同而引起的。晶體折射率與樹膠折射率相差愈大，則晶體的突起愈高。 在晶體光片制備時使用的樹膠折射率等于1.54，對折射率大于樹膠的晶體屬正突起；折射率小于樹膠的晶體屬負(fù)突起，在晶體光學(xué)鑒定時可利用貝克線區(qū)分晶體的正負(fù)突起。根據(jù)光片中突起的高低、輪廓、糙面的明顯程度，一般把警惕的突起劃分為六個等級，如表2.1所示。  非均質(zhì)體晶體的折射率隨光波在晶體中的振動方向不同而有差異。雙折射率很大的晶體，在單偏光鏡下，旋轉(zhuǎn)物臺，突起高低發(fā)生明顯的變化，這種現(xiàn)象稱為閃突起。例如方解石晶體有明顯的閃突起，可以作為鑒定晶體的一個重要特征。 2.3.1.3 正交偏光鏡下的晶體光學(xué)性質(zhì) 所謂正交偏光鏡，就是下偏光鏡和上偏光鏡聯(lián)合使用，并且兩偏光鏡的振動面處于互相垂直位置（圖2.17）。為了觀察方便，要使兩偏光鏡的振動方向嚴(yán)格與目鏡“東西”、“南北”十字絲一致。在正交偏光鏡下觀察時，入射光是近于平行的光束，故又稱為平行正交偏光鏡。  在正交偏光鏡的物臺上，如不放任何晶體光片時（圖2.17），其視域是黑暗的。因?yàn)楣馔ㄟ^下偏光鏡，其振動方向被限制在下偏光鏡的振動面PP內(nèi)，當(dāng)PP方向振動的光到達(dá)上偏光鏡AA時，由于兩振動方向互相垂直，光無法通過上偏光鏡，所以視域是黑暗的。 若在正交偏光鏡下的物臺上放置晶體光片，由于晶體的性質(zhì)和切片方向不同，將出現(xiàn)消光和干涉等光學(xué)現(xiàn)象。 （1） 消光現(xiàn)象 晶體在正交鏡下呈現(xiàn)黑暗的現(xiàn)象，稱為消光現(xiàn)象。消光現(xiàn)象包括全消光和四次消光兩種。 在正交鏡下放均質(zhì)體任意方向切片和非均質(zhì)體垂直光軸的切片（圖2.18a），由于這兩種切片的光率體切面皆為圓切面，光波垂直這種切片入射時，不發(fā)生雙折射，也不改變?nèi)肷涔獾恼駝臃较颉?nbsp; 所以自下偏光鏡透出的振動方向平行PP的偏光，通過晶體后，不改變原來的振動方向并與上偏光鏡的振動方向AA垂直，故不能透出上偏光鏡，使視域黑暗。旋轉(zhuǎn)物臺360°，消光現(xiàn)象不改變。這種消光現(xiàn)象稱為全消光。非晶體、等軸晶系的晶體和非均質(zhì)晶體垂直光軸的切片均為全消光。 在正交鏡下放上非均質(zhì)體其它方向的切片，由于這種切片的光率體切面均為橢圓，當(dāng)橢圓切面的長、短半徑與上、下偏光鏡的振動方向（PP、AA）一致時（圖2.18b），從下偏光鏡透出的振動方向平行PP的偏光，可以透過晶體而不改變原來的振動方向。當(dāng)它到達(dá)上偏光鏡時，因PP與AA垂直，透不過上偏光鏡而使晶體消光。而在其他位置時則總有部分光透過上偏光鏡。旋轉(zhuǎn)物臺360°，晶體切片上的光率體橢圓半徑與上、下偏光鏡的振動方向有四次平行的機(jī)會（即消光位），故晶體出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。 由此可知，在正交鏡下呈現(xiàn)全消光的晶體，可能是均質(zhì)體，也可能是非均質(zhì)體垂直光軸的切片。而呈現(xiàn)四次消光的，一定是非均質(zhì)體晶體。所以四次消光是非均質(zhì)體的特征。 非均質(zhì)體垂直光軸以外的任意方向切片，不在消光位時，則將發(fā)生干涉作用。 （2） 干涉現(xiàn)象 當(dāng)非均質(zhì)體任意方向切片上的光率體橢圓半徑K1、K2與上、下偏光鏡的振動方向AA、PP斜交時（圖2.19），自然光透過下偏光鏡以振動方向平行PP的偏光進(jìn)入晶體切片后，發(fā)生雙折射，分解形成振動方向平行K1、K2的兩種偏光。K1、K2的折射率不等（NK1>NK2），在切片中的傳播速度也不相同（K1為慢光，K2為快光），因此它們透出晶體切片的時間必有先后，于是就產(chǎn)生了光程差，以R表示。如式2.4所示。當(dāng) K1、K2透過切片在空氣中傳播時，由于傳播速度相同，所以它們在到達(dá)上偏光鏡之前，光程差保持不變。 R=d（Ng-Np） (2.4) 式中：R為光程差，d為晶體厚度，Ng、Np為晶體光率體切面的主折射率。光程差通常以nm為單位表示。光程差的大小取決于晶體的雙折射率和晶體的厚度。 K1、K2兩條偏光的振動方向與上偏光鏡的振動方向（AA）斜交，故當(dāng)K1、K2先后進(jìn)入上偏光鏡時再度分解，形成K1’、K1”和K2’、K2”四條偏光。其中K1”和K2”的振動方向垂直于上偏光鏡的振動方向AA，不能透過上偏光鏡；而K1’和K2’的振動方向平行于上偏光鏡的振動方向AA，因此全部透過。由于K1’和K2’均起源于射入晶體之前的那束偏振光，兩者振動頻率相同，均在AA平面內(nèi)振動，且存在光程差，故將會導(dǎo)致光的干涉效應(yīng)。K1、K2兩束光相疊加后的合成光波振幅為： 式中，OB值為入射光的強(qiáng)度；α是晶體切片上光率體橢圓半徑與偏光鏡振動方向間的夾角，轉(zhuǎn)動物臺可以改變α角；λ是所用單色光的波長。 當(dāng)晶體切片內(nèi)的光波振動方向與上、下偏光鏡的振動方向平行時，α=0，A+ =0，晶體切片處于消光位。旋轉(zhuǎn)物臺一周，當(dāng)α=0、90、180、270°時，均出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。而當(dāng)α=45、135、225和315°時，晶體的亮度最大。 如果使用單色光作光源，當(dāng)光程差為波長的整數(shù)倍時，sin[d(Ng-Np)π/λ]=sinnπ＝0，A+ =0，此時晶體切片呈黑色。而當(dāng)光程差為半波長的奇數(shù)倍時，sin[(2n+1) π/2]=1，使合成波振幅A+ 最大，干涉結(jié)果使光增強(qiáng)。如果沿石英光軸方向，由薄至厚磨成一條楔形的光片（稱為石英楔）。石英的最大雙折率Ne-No=0.009是固定常數(shù)。此時光程差的改變只隨著石英楔的厚度變化。當(dāng)由薄至厚逐漸插入石英楔，造成光程差均勻增加，此時在視域里就可看到明暗相間的條帶（圖2.20）。在R=2nλ/2處，光消失呈現(xiàn)黑帶；在R=[（2n+1）λ/2]處，光線加強(qiáng)而呈現(xiàn)單色光的亮帶（最亮）。在光程差介于二者之間處，則明亮程度介于全黑與最亮之間。明暗條帶相間的距離由單色光的波長而定，紅光波長較長，明暗條帶的距離大；紫光波長較短，明暗條帶的距離也小。 （3） 干涉色及色譜表 白光由七種不同波長的單色光組成，由于不同單色光發(fā)生的消光位和最強(qiáng)位因各自波長而處于不同位置，因此七種單色光的明暗干涉條紋互相疊加而構(gòu)成了與光程差相對應(yīng)的特殊混合色，稱為干涉色，它是由白光干涉而成。干涉色的顏色只決定于光程差的大小，α角只能影響干涉色的亮度。 在白光的照射下，將石英楔插入試板孔中，薄的一端在前，隨著石英楔慢慢推入，可以見到石英楔的干涉色連續(xù)不斷地變化，當(dāng)光程差為零時，石英楔呈黑色，光程差逐漸增加，干涉色由黑色變?yōu)殇摶?，然后順著下列次序變化：鋼灰、藍(lán)灰、白、黃白、亮黃、橙黃、紅、紫、藍(lán)綠、黃綠、橙黃、猩紅、淡紫、灰藍(lán)、淡綠……高級白。這種隨著光程差的逐漸增加，產(chǎn)生的一系列有規(guī)律變化的干涉色序，稱為干涉色級序。在干涉色級序中，顏色與顏色之間是逐漸過渡的，沒有明顯的界限，干涉色級序愈高，界限愈不明顯。通常將干涉色級序劃分以下幾級： 第一級：光程差為0-560nm，干涉色由低到高為：黑、鋼灰、藍(lán)灰、白、黃白、亮黃、橙黃、紅、紫紅。這一級特征是光程差為2O0 nm左右時，各色波長的光均具有一定的亮度，互相混合而成白色，稱一級白色。一級干涉色中沒有藍(lán)色與綠色。 第二級：光程差為560-1120nm，干涉色由低到高為：紫藍(lán)、綠、黃綠、橙紅等色。其特征是顏色鮮艷，色帶之間界限較清楚。 第三級：光程差為 1120-1680nm，干涉色由低到高為：紫、藍(lán)、藍(lán)綠、黃綠、黃、橙、紅。其特征不如二級鮮艷，色帶之間的界限不如二級那樣清楚。 第四級：光程差為1680nm以上，干涉色由低到高為：紫灰、青灰、綠灰、淡籃綠、淺橙紅、高級白色。四級干涉色一般色調(diào)很淡，色帶之間完全是逐漸過渡，無明顯界限。當(dāng)光程差增加到五級以上，各色光都不等量的出現(xiàn)，它們混合起來成為近似白色色調(diào)的顏色，稱為高級白。如方解石平行光軸的切片上，雙折射率No-Ne=0.172，當(dāng)光片厚度磨到0.03mm時，其光程差R=d（No-Ne）＝5160nm，呈現(xiàn)高級白色。這是高雙折射率晶體的特征。 干涉色級序的高低取決于光程差的大小，而光程差的大小又隨著光片厚度和雙折射率的大小而變化，所以干涉色級序的高低應(yīng)取決于晶體光片的厚度和雙折射率。在標(biāo)準(zhǔn)厚度0.03mm的光片中，同一晶體因切片方向不同，顯示出不同的干涉色，一軸晶垂直光軸切片的雙折射率等于零，呈全消光，不顯干涉色。平行光軸切片的雙折射率最大，具有最高干涉色。其他方向切片的干涉色介于上述兩者之間。同樣，二軸晶垂直光軸切片為全消光，平行光軸面切片的干涉色為最高，其他方向切片的干涉色變化于全黑與最高干涉色之間。顯然在鑒定晶體時，測定最高干涉色才有意義。 表示干涉色級序的圖表，稱為色譜表，如圖2.21，它是利用R=d（Ng-Np）公式中切片厚度、雙折射率及光程差三者之間的關(guān)系作出的。這個色譜表是米舍爾-列維在1889年創(chuàng)制的，故又稱米舍爾-列維色譜表。 色譜表的水平方向表示光程差及大小，單位為nm；垂直方向表示光片厚度，以毫米為單位；從座標(biāo)原點(diǎn)放射出來的一條條斜線表示雙折射率的大小，每一根直線代表一個雙折射率值，位于直線的末端。一定的光程差，對于一定的干涉色。在各光程差的位置上，填上相應(yīng)的干涉色即成色譜表。 在圖表上表示了光程差、光片厚度和雙折射率三者之間的關(guān)系，所以當(dāng)三者中知道其中兩個，應(yīng)用色譜表，就可求出第三數(shù)值。 |
