金相显微镜中的偏振装置

金相显微镜中的偏振装置

偏振光在金相学研究中已应用得十分普遍。在立式和大型金相显微镜中均有偏振光装置、落射式垂直照明装置中等。下面介绍偏振光的基本知识及偏振光元件的应用常识。

1、自然光和平面偏振光、偏振片


图一 自然光示意图


一个实际光源发出的光波是由大量原子(或分子、离子)辐射出来的电磁波的叠加。光的电磁理论和实践证明,作为发光的原子,在大约10ˉ8 秒时间内,连续发出电振动矢量和磁振动矢量H振动方位不变电磁波。 人们常把光波中电振动矢量E称为光振动矢量,简称为光矢。光矢E和光线方向所决定的平面称为光矢的振动面。凡光矢振动面被限制在某一固定方位的平面上的光波称为平面偏振光。实际光波中某一原子在10-8秒内发出的光就是平面偏振光。光源中某原子停止发光并经历一段间歇时间获得足够的能量以后,又能重新发光,并和前面一样仍然发出平面偏振光。但是这两次的发光,振动面的方位一般说来是不同的。 光源中每一个原子就是这样地时停时发,发发停停。 而一个实际光源是由亿万个这样 的原子组成的。它们的发光或前或后,参差不齐, 瞬息无何止万变地发出振动方位各不向同的平面偏振光。 在自然界里,一般的光源如太阳、电灯、碳弧等都 是发出具有一切振动方位的大量的平面偏振光的混合光。在波面A上看来,光矢E的振动在各个方向是对称的,见图一。这些振动方向是同时存在的或迅速地而无规则地互相代替的,这种光我们称为自然光(或天然光)自然光中不同方向的振动之间没有一定的位相差,它们在统计上对于光线是对称的。我们用图二规定的点划符号表示自然光,用图三规定的点或短线符号表示平面偏振光。


图四 用偏振片得到平面偏振光

从自然光得到平面偏振光的方法很多。对金相显微镜来说,目前最常用的是利用人造偏振片,简称偏振片。利用人造偏振片从自然光中得到平面偏振光的方法,见图四。当一束自然光通过偏振片时,凡与偏振片上偏振轴方向 (或称透光方向)平行的光振动,能几乎不被吸收地通过,而与偏振轴方向相正交的光振动,则显著地被吸收掉。因此,从偏振片出来的便是振动面与偏振轴平行的平面偏振光。人造偏振片可分微晶型人造偏振片和分子型人造偏振片两类。前者利用微晶,而后者是利用分子。对不同偏振状态的光有显著不同的吸收本领而得到偏振光的。


图五 起偏镜与验偏镜
(图中箭头表示偏振轴方向)

取两块偏振片Ⅰ、Ⅱ将偏振片Ⅰ放在人眼前对着窗外观看,窗外自然光经过片Ⅰ是透明的(图五a)。如果片Ⅰ不同,在片Ⅰ和人眼之间加进偏振片Ⅱ,若两片偏振片的偏振轴平行,则通过片Ⅰ的平面偏振光也可以通过片Ⅱ,此时两片重叠的部分都是透明的(见图五b)。如果片Ⅰ不动,而将片Ⅱ转动,使两偏振轴夹一锐角,则从片Ⅰ出来的平面偏振光,只有在片Ⅱ偏振轴方向投影的那一部分能通过片Ⅱ,因而通过两片重叠部分的光强变弱(见图五c)。若继续转动片Ⅱ,使片Ⅰ与片Ⅱ偏振轴正交,则从片Ⅰ出来的平面偏振光,其振动面刚好与片Ⅱ的偏振轴正交,因而光完全不能通过它,这时两片重叠部分为全暗(见图五d)。

在上述实验中,偏振片Ⅰ起了将自然光改造为平面偏振光的作用,所以称为起偏镜。通过旋转偏振片Ⅱ来进行观察,可以检验由片Ⅰ出来的平面偏振光的振动面在什么方位,所以偏振片Ⅱ常称为检偏镜。图五b和图五d分别表示两偏振镜的偏振轴,平行和正交位置。在金相显微镜中配置的两块偏振片,常常调节在正交位置上。

2、偏振光装置的调节


图六 金相显微镜的偏振光装置示意图

一般金相显微镜中的偏振光装置,只是在直射光程中及观察镜筒内各加一块质量甚佳的人造偏振片

(图六是其示意图)。国产立式和大型金相显微镜,都备有偏振光装置。这些都是在使用前才插入或接上的。但必须经过适当的调节,才能进行工作。

使用前的调节,一般包括起片镜的调节、检偏镜的调节、载物台的机械中心的调节三个方面。目前常见的有偏振光装置的金相显微镜,其中的起偏镜和检偏镜中有一个偏振轴方位在出厂时已调节并固定好,使用时只需调节另一个便可以了。虽然如此,我还是讲述两个镜都需要调节的情况。

(1)起偏镜的调节

调节时要求将起偏镜的偏振轴处于水平位置,以便使经起偏镜出来的平面偏振光的振动面与水平面平行,从而保证:1)从半反射镜上反射进入物镜的平面偏振光的光强最大;2)从半反射镜反射的平面偏振光光矢E和起偏镜偏振轴平行。图六中,为了简明说明偏振光的原理,把金相显微镜光路中的聚光镜、辅助透镜等未画。并特意将半反射镜、起偏镜和检偏镜标上直角座标X、Y、Z,其中X、Y座标面为水平面,X轴为垂直于图面的水平方向。起偏镜平面和X、Y座标面平行,检偏镜平面和X、Z座标面平行。有了这种规定,上述对起偏镜调节的目的和要求可更明确地表达为:调节起偏镜的偏振轴位于X轴方位,以保证平面偏振光经半反射镜反射后光矢仍归在X轴方位振动,并且光强是最大的平面偏振光。这一步的调节,可以利用经过抛光的但未经浸蚀的不锈钢试样来进行。将试样放在载物台上,除去检偏镜(只装起偏镜)从目镜内观察聚焦后试样抛磨面上反射光强度。转动起偏镜,反射光强度发生明暗变化,当反射光最强时,就是起偏镜满足上述要求的正确位置。

(2)检偏镜的调节


图七 十字形光栏

起偏镜调节完成后,插入检偏镜,调节检偏镜以取得与起偏镜正交的位置。若用图六中标明的直角座标来表示,既然起偏镜的偏振轴已取X轴方位,则检偏镜的偏振轴应取Y轴方位。

调节的方法是选取数值孔径小的物镜或者缩小照明系统的孔径光栏。取已抛光的不锈钢金相试样,经对准聚焦后,转动检偏镜,当从目镜里观察到最暗的消光现象时,就是两偏振镜的正交位置。

有的曾利用十字形光栏(图七)。其中一个缝的方向和起偏镜偏振轴平行,将十字形光栏代替平常通用的孔径光栏,则选用大孔径物镜进行检偏镜调节,消光现象也是十分明显的。

(3)载物台机械中心的调节

若载物台的旋转轴(机械中心)与物镜光轴不一致,在旋转载物台时,会使位于视场中心的观察目标易离开视场中心,甚至转出视场之外。为了避免这种现象,必须在使用前利用载物台X、Y的移动,来调节,可旋转的载试样小平台的旋转轴(旋转机械中心)以使其和物镜光轴重合。(见图八)


图八 4XB金相显微镜的偏振光装置

调节工作是这样进行的:将刻有十字线的目镜插入目镜筒内,再在载物台上的可旋转小平台上放一片刻有十字线的玻璃片,并使它的十字线中心和刻有十字线的目镜的十字中心重合。这时转动载物小平台,观察玻璃片的十字中心A所走的轨迹在那一个象限,(见图九a)如其运动轨迹主要在第Ⅰ象限,此时就应该旋转工作台X、Y 的移动手轮,将假想中的轨道圆直径的一半移向目镜十字线中心C,然后再重复上述操作。如果轨道圆 仍在第Ⅰ象限内,就再移向十字中心半个直径长度。此后再继续这样做,直至玻璃片的十字中心A在转动载物小平台时的轨迹是一个以目镜十字中心为圆心的很小很小的圆为止。 (见图九b、c)


图九  旋转载物小平台机械中心的调节

地址:上海市嘉定区南翔陈翔路65弄20号
电话:86-021-39128171,86-021-39128172,86-021-63765178 传真:86-021-39128173

沪公网安备 31011402003704号