1、材料研究方法PPT课件Chapter 2 Light Microscope第二章第二章 光学显微分析光学显微分析Reference:1.Encyclopedia of Materials Characterization.C.R Brundle,et al.Butterworth-Heinemann.2.王培铭、许乾慰。材料研究方法本章内容、重点和难点本章内容、重点和难点n 晶体光学的历史发展，晶体光学理论基础，晶体光学的历史发展，晶体光学理论基础，自然自然光和偏振光，光和偏振光，光学显微分析方法，样品制备，新进光学显微分析方法，样品制备，新进展，应用；展，应用；n 重点是光学显微形式与材料显
2、微结构的关系，重点是光学显微形式与材料显微结构的关系，光光学显微分析学显微分析在材料研究中的应用；在材料研究中的应用；n 难点是从光学显微照片解析出对应的材料结构。难点是从光学显微照片解析出对应的材料结构。第第 2 2 章章 光学显微分析光学显微分析第第 2 2 章章 光学显微分析光学显微分析 2.1 2.1 概述概述 光学显微分析的发展光学显微分析的发展n1515世纪中叶：放大镜（单式显微镜）世纪中叶：放大镜（单式显微镜）n15901590年荷兰年荷兰 Hans and Zacharias JanssenHans and Zacharias Janssen：复式显微镜复式显微镜n1717世纪
3、中叶世纪中叶R.HookeR.Hooke：第一台性能较好的显微镜第一台性能较好的显微镜n Christiaan HuygensChristiaan Huygens：惠更斯目镜：惠更斯目镜 n 1919世纪德国世纪德国 Ernst Abbe Ernst Abbe 阐明光学显微镜成像原阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达理，光学显微镜分辨本领达0.20.2微米理论极限微米理论极限 透镜是一种将光线聚合或分散的设备，通常是由一片玻璃透镜是一种将光线聚合或分散的设备，通常是由一片玻璃构成，但用于其他电磁辐射的类似设备通常也称为透镜：例构成，但用于其他电磁辐射的类似设备通常也称为透镜：例如，由石
4、蜡制成的微波透镜，用玻璃、树脂或水晶等透明材如，由石蜡制成的微波透镜，用玻璃、树脂或水晶等透明材料制成的放大镜、眼镜等，也都是透镜。料制成的放大镜、眼镜等，也都是透镜。1665）1665 列文虎克和他的显微镜（约1680）已知最古老的公开显微照片已知最古老的公开显微照片:蜜蜂，由蜜蜂，由Francesco Stelluti于于1630发表发表 光学显微镜分类光学显微镜分类 几何光学显微镜几何光学显微镜 生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。显微镜、暗视野显微镜等。物理光学显微镜物理光学显微镜 相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微
5、镜、相差偏相差显微镜、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、相差荧光显微镜等振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。信息转换显微镜信息转换显微镜 荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜荧光显微镜、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。、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。特种光学显微镜特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。高温显微镜、近场光学显微镜等。光学显微镜光学显微镜透射光显微镜透射光显微镜反射光显微镜反射光显微镜材料物相结构的显微分析材料物相结构的显微分析n 许多材料或生产材料所用的原料都是由各种各样的晶许多材料或生
6、产材料所用的原料都是由各种各样的晶体组成的。体组成的。n 不同材料的晶相组成直接影响到它们的结构和性质；不同材料的晶相组成直接影响到它们的结构和性质；n 对于各种材料及其原料的性能、质量的评价，除了考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。虑其化学组成外，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。n 所谓显微结构就是指构成材料的晶相形貌、大小、分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。布以及它们之间的相互关系。材料物相结构的显微分析材料物相结构的显微分析n 利用光学显微分析技术进行物相分析就是研究利用光学显微分析技
7、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，材料和其原料的物相组成及显微结构，n 并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产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。品性能间的关系。2.2 2.2 晶体光学基础晶体光学基础2.2.1 2.2.1 光的物理性质光的物理性质1.1.光的波动性光的波动性n光的波粒二象性光的波粒二象性n波动学说解释晶体光学波动学说解释晶体光学n横波与纵波横波与纵波n电磁波谱电磁波谱 可见光：可见光：3900-77003900-7700埃埃纵波横波电磁波谱电磁波谱光学显微分析光学显微分析使用波段：使用波段：可见光波段可见光波段390770nm
8、2.2.自然光和偏振光自然光和偏振光 自然光：垂直于光的传播方向振动，在垂直于光的自然光：垂直于光的传播方向振动，在垂直于光的传播方向的平面内的任意方向振动。传播方向的平面内的任意方向振动。偏振光：垂直于光的传播方向振动，且只在垂直于光偏振光：垂直于光的传播方向振动，且只在垂直于光的传播方向的平面内的某一方向振动。的传播方向的平面内的某一方向振动。1.1.光的折射光的折射 光的折射定律光的折射定律 2.2.2 2.2.2 光与固体物质的相互作用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
9、光的、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。性能、入射方法及固体物质性质有关。光的折射特点：光的折射特点：1 1）介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率愈小；）介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率愈小；V Vi i/V/Vr r=N=Nr r/N/Ni i2 2）光在真空中的传播速度最大，）光在真空中的传播速度最大，n n 1 13 3）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散）对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。4 4）晶体的折射率色散能力）晶体的
10、折射率色散能力 晶体的折射率色散能力，是指晶体在两种波长光波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。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。差值越大，色散能力越强，反之则越弱。2.2.光的吸收光的吸收n 一束光线照射到物质的表面，一部分光线被一束光线照射到物质的表面，一部分光线被反射，另一部分光线透过（透明材料），还有一反射，另一部分光线透过（透明材料），还有一部分光线要被物质所吸收。部分光线要被物质所吸收。n 光的吸收主要是光的波动能转换为热能等其他光的吸收主要是光的波动能转换为热能等其他形式的结果。形式的结果。)exp(xIIxJ.H.Lambe
11、rt 吸收指数定律吸收指数定律 3.3.光的反射光的反射n 根据反射的基本定律，以反射表面法线为基准根据反射的基本定律，以反射表面法线为基准的入射角和反射角是相等的，入射光线、反射光的入射角和反射角是相等的，入射光线、反射光线和反射表面法线处于同一平面上。线和反射表面法线处于同一平面上。n 在精抛光平表面上可获得单向反射（表面不平在精抛光平表面上可获得单向反射（表面不平整度小于光波长），而在粗糙表面上则呈漫反射整度小于光波长），而在粗糙表面上则呈漫反射。3.3.光的反射光的反射n 反射光的强度和波长取决于表面的本性和反射反射光的强度和波长取决于表面的本性和反射介质的光学性质。介质的光学性质。n
12、 通常具有不定域电子的导电体或半导体材料是通常具有不定域电子的导电体或半导体材料是不透明的，并且呈现很好的反射率。不透明的，并且呈现很好的反射率。n 而以离子或共价键特征为主的材料是透明的，而以离子或共价键特征为主的材料是透明的，但有时是有色的。但有时是有色的。n 这是由于流动的电子会吸收任何波长的光，而这是由于流动的电子会吸收任何波长的光，而键合电子只与个别波长的光相互作用。键合电子只与个别波长的光相互作用。3.3.光的反射光的反射n 物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射物质对投射在它的表面或磨光面上光线的反射能力称为反射力。表示反射力大小的数值称为反能力称为反射力。表示反射力大小的数值
13、称为反射率：射率：(2.3)(2.3)n 式中：式中：R为反射率，为反射率，Ir为反射光的强度，为反射光的强度，Ii为入射为入射光的强度。光的强度。%100)/(irIIR4.4.光在晶体中的传播光在晶体中的传播n 晶体是具有格子构造的固体，拥有独特的对称晶体是具有格子构造的固体，拥有独特的对称性和各向异性。性和各向异性。n 光在不同晶体中传播时也表现出不同的特点。光在不同晶体中传播时也表现出不同的特点。n 自然光和偏振光在晶体中的传播也不尽相同。自然光和偏振光在晶体中的传播也不尽相同。n 根据光在晶体中不同的传播特点，可以把透明根据光在晶体中不同的传播特点，可以把透明物质分为光性均质体和光性
14、非均质体两大类。物质分为光性均质体和光性非均质体两大类。4.4.光在晶体中的传播光在晶体中的传播 n 光性均质体与非均质体光性均质体与非均质体 1.1.光性均质体光性均质体 (各向同性介质各向同性介质)光波在均质体中传播时，光波在均质体中传播时，其传播速度不因振动方向而其传播速度不因振动方向而发生改变。发生改变。2.2.光性非均质体光性非均质体 (各向异性介质各向异性介质)光波在非均质体中光波在非均质体中传播时，其传播速度传播时，其传播速度随振动方向不同而发随振动方向不同而发生变化。生变化。一轴晶一轴晶 和和 二轴晶二轴晶 这种一束自然光穿过各向异性的晶这种一束自然光穿过各向异性的晶体（如方解
15、石晶体）时分成两束偏振体（如方解石晶体）时分成两束偏振光的现象称为双折射现象。光的现象称为双折射现象。例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放例如：白纸上涂一个黑点，将方解石放在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解在纸上，可观察到两个黑点，旋转方解石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。石，一个黑点不动，另一个黑点旋转。双折射现象双折射现象光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体e o光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象光光光
16、光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象光光 光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体当方解石晶体旋转时，产生双折射现象当方解石晶体旋转时，产生双折射现象 2.2.4 2.2.4 光率体光率体 光率体是表示光波在晶体中传播时，光波振动方光率体是表示光波在晶体中传播时，光波振动方向与相应折射率值之间关系的一种光性指示体
17、。向与相应折射率值之间关系的一种光性指示体。燃烧一个人的灵魂，正是对生命的爱，那是至死方休。志不立，天下无可成之事。种子最后是果实；努力最后是成功；放弃最后是失败。志士仁人，无求生以害仁，有杀生以成仁。论语卫灵公（杀身成仁）只要有信心，人永远不会挫败。小毛病往往可以导致大麻烦。只要能收获甜蜜，荆棘丛中也会有蜜蜂忙碌的身影。走得最慢的人，只要他不丧失目标，也比漫无目的地徘徊的人走得快。坚信健康是快乐的源泉。林宥嘉拥有：快乐时你不必分心想起我，难过时一定记得联络我。让我分享你的苦，带走你的优愁，我只求这样把你拥有。稗子享受着禾苗一样的待遇，结出的却不是谷穗。生命力的意义在于拚搏，因为世界本身就是一个竞技场。
