第三章 光学显微分析 前言 光学显微分析的发展 3.1 人眼：人眼观察物体的能力是有限的。一般的情况下，在25cm的明视距离内，人眼只能分辨相距0.1-0.2mm的两个物体。也就是说，当两个物体相距不到0.1mm的时候，人眼就会把它们看成是一个物体了。这个极限便称为人眼的分辨本领。

3.2 放大镜：约在四百年前眼镜片工匠们开始磨制放大镜。当时的放大镜的放大倍数只有3—5x 3.3 显微镜： 1590年，荷兰和意大利的眼镜制造者造出类似显微镜的放大仪器。 1673～1677年期间，胡克制成单组元放大镜式的高倍显微镜 19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。 1850年出现了偏光显微术； 1893年出现了干涉显微术； 1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术。

荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义

罗伯特·虎克制造的显微镜（1665）放大倍数：140倍 1665 英国人Robert Hook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室)这个词来称呼他所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。 罗伯特·虎克制造的显微镜（1665）放大倍数：140倍

光学显微镜分类 ——几何光学显微镜 生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。 ——物理光学显微镜 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。 ——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、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。 ——特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。

一、晶体光学基础 光的波动性 光的波粒二象性 波动学说解释晶体光学 纵波 横波与纵波 电磁波谱 可见光： 3900-7700埃 横波

电磁波谱

——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。 2. 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，且只在垂直于光的传播方向的平面内的某一方向振动。

偏振光 光的偏振现象可以借助于实验装置进行观察，P1、P2是两块同样的偏振片。 通过一片偏振片P1直接观察自然光，透过偏振片的光变成了偏振光。如果我们把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2缓慢地转动，就可发现透射光的强度随着P2转动而出现周期性的变化。 通过偏振片的透射光，它的振动限制在某一振动方向上，我们把第一个偏振片P1叫做“起偏器”，第二个偏振片帮助我们辨别出偏振光，因此它也称为“检偏器”。

3. 光的折射 光的折射定律 光的折射特点： （1）介质中光传播的速度愈大，则该介质的折射率愈小； （Vi/Vr=Nr/Ni）。 （3）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。

4. 光的吸收 一束光线照射到物质表面，一部分被反射，另一部分被透过，还有一部分被物质吸收。 光的吸收主要是光的波动能转换为热能等形式。 　　一束光线照射到物质表面，一部分被反射，另一部分被透过，还有一部分被物质吸收。 　　光的吸收主要是光的波动能转换为热能等形式。 　　光的吸收指数定律（Lambert吸收指数定律） 　　　　　Ix=Iexp(-ax) 其中，Ix为透过厚度为x的光强；I为入射光强；x为透入深度；a为比例常数。

5.光的反射 平面镜 白纸 光的反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居法线的两侧，反射角等于入射角。 A O B N θ1 θ2 A O B N A O B N A O B N 光的反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居法线的两侧，反射角等于入射角。 θ1 θ2 θ1 θ2 θ1 θ2 平面镜 白纸 平行光射到平面镜上,反射光 仍然是平行的,这种反射叫做 镜面反射. 平行光照在白纸上, 由于纸 面凹凸不平,反射光就会射向 各个不同的方向,这种反射叫 做漫反射.

二、偏光显微镜

偏光显微镜的构造 镜臂、镜筒、镜座、 反光镜、下偏光镜、 锁光圈、聚光镜、载物台、 物镜、目镜、 上偏光镜、勃氏镜、 粗调螺丝、细调螺丝、 附件等 1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，5、微调手轮，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜

镜臂 镜座 反光镜

下偏光镜 锁光圈 聚光镜

载物台 游标尺与弹簧夹 镜筒

物镜 放大倍数、数值孔径（N.A） 机械筒长、盖玻璃厚度 10× / 0.25 160 / 0.17

物镜的分辨率:显微镜能分辨的最小距离，用D表示。显微镜的鉴别距离越小，分辨率越高。 　光孔角:由标本上一点发出的进入物镜最边缘光线L和进入物镜中心光线之间的夹角。 数值孔径：N.A=nsinθ。 数值孔径与显微镜的分辨率有密切关系，越短，NA越大，分辨率越高。

目镜 上偏光镜 勃氏镜

附件 补色器 （石膏试板、云母试板、 石英楔） 目镜十字丝、微尺、 方格网、物台微尺、滤色片 中心校正螺丝

三、反光显微镜 研究不透明晶体的光学性质。 反光显微镜的构造 调焦手轮、光源、视场光阑、孔径光阑 镜座、镜臂、镜筒、载物台、物镜、目镜、 调焦手轮、光源、视场光阑、孔径光阑 垂直照明器（半反光器、孔径光阑、视域光阑等）

反光显微镜

反光显微镜（金相显微镜）

垂直照明器的构造 玻片反射器和棱镜反射器 玻片反射器：光强损失大，视域亮度较弱，有害反射较多，亮度均匀、分辨率较高。 棱镜反射器：光线损失较少，视域明亮，有害的干扰反射光少；明暗不均、分辨率下降

照明光源 低压白炽灯 金相显微镜的构造和调节、使用 调节光源、视场光阑、孔径光阑、调焦

四、特殊显微光学分析法 特殊照明术 明场照明术 ——金相显微镜中常用的照明方式。 ——光线均匀照射到光片表面，视域中整个样品表面明亮。 ——平坦光片表面将大部分光反射回物镜，凹陷部分则将光散射到物镜外面，光片表面不同表面平整状态及不同反射力和颜色等造成明暗反差和颜色反差。 ——孔径光阑和视场光阑可充分发挥物镜的分辨能力，并兼顾景深，获得具有良好衬度光学图像。

暗场照明术 ——在视场光阑后面插入环形光阑，形成一个环形光束，经物镜外围的抛物面反射镜以大倾斜角投射到样品表面。 ——由垂直照明器、暗视场聚光器、物镜及环形光圈等部分组成。 ——在视场光阑后面插入环形光阑，形成一个环形光束，经物镜外围的抛物面反射镜以大倾斜角投射到样品表面。 ——平坦表面上的反射光线以极大倾斜角反射而不能进入物镜，在视域内呈黑暗色。 ——物相的裂纹、凹陷部分、交界面及界线等部位上的部分散射光线有可能射入物镜而呈现明亮色。造成了极明显的明暗反差或颜色反差，可更好区分各种不同矿物。

斜光照明术 ——利用照明光线与显微镜光轴成某种角度倾斜照射到光片上以提高分辨率。 ——利用光源、孔径光阑、聚光镜的调节和配合形成斜光照明，达到斜光照明效果。

荧光照明术 ——利用物质的荧光现象研究材料的光学性质。 ——荧光现象和磷光现象。 荧光现象：某些物质在外部能量作用下能产生一定的发光现象，发光现象随着外能消失而消失。 磷光现象：某些物质在外部能量作用下能产生一定的发光现象，在外能消失后仍能维持一段时间的发光性。 ——配置专门光源、激发滤光器、暗场聚光镜（偏光）或专用垂直照明器（反光）等部件实现荧光照明。

2.相衬显微术 ——利用装在显微镜物镜内的相位板，使反射光线产生干涉或叠加，把具有相位差的光转换成具有强度差的光，以鉴别金相组织。 ——圆环遮板+相板。光线经圆环遮板呈环形光束射入显微镜并到达相板上，环形光束与相板上相环吻合。 ——环形光束射入不规则表面后产生直接反射光和部分衍射光，衍射光投射在整个相板上，直接反射光则因通过相环而产生光程差，两者产生干涉而改变光的强度，从而达到提高衬度和分辨率的目的。 ——利用相衬显微镜可区分两相位差在10-150nm范围内金相组织。

3.干涉显微术 ——将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利用光的干涉研究物相更细微的表面高度差，观察数十纳米的高度差。 ——一束单色光射到空气尖劈上会产生两束存在一定光程差的光，并产生干涉现象，在目镜中可见明暗相间的条纹。 ——不平表面将产生弯曲干涉条纹。根据干涉条纹的形状即可检测样品表面的细微高度差和平整情况。

4.高温显微分析术 ——包括真空高温台及相应的物镜系统。 ——真空高温台是安放样品和进行加热、冷却的装置。 ——使用温度最高可达1500℃

5.显微摄影与图像分析技术 利用图像分析技术分析各组成相的尺寸、形貌、分布和光密度等结构数据，为光学显微分析提供定量或定性数据。 显微摄影：将显微镜目镜视域观察到的物相形态及显微结构图像，利用专门的照相机或摄影机拍摄纪录。显微摄影是显微结构分析中一项重要技术。 利用图像分析技术分析各组成相的尺寸、形貌、分布和光密度等结构数据，为光学显微分析提供定量或定性数据。

五、光学显微分析样品的制备 取样 镶嵌 磨光 抛光 机械夹持法、塑料镶嵌法（热镶法和冷镶法） 、低熔点镶嵌法 粗磨、细磨 机械抛光、电解抛光、化学抛光

浸蚀 化学浸蚀法：除去表面非晶质变形层，晶体着色 化学浸蚀、电解浸蚀、物理蚀刻法 水泥熟料浸蚀剂 浸蚀剂名称 浸蚀条件 显形矿物特征 蒸馏水 20 ℃，2-3秒 游离氧化钙：呈彩虹色 黑色中间相：呈蓝色，棕色 1%氯化铵水溶液 20 ℃ ，3秒 A矿：呈蓝色，少数呈深棕色 B矿：呈浅棕色 游离氧化钙：呈彩色麻面 1%硝酸 酒精 A矿：呈深棕色 B矿：黄褐色

六 光学显微镜的维护 显微镜要轻拿轻放。 严禁将表面有水的载片放到显微镜上。 临时不用显微镜只需将光源亮度调至最低而无需关闭。忌频繁开关显微镜电源。 镜头脏污只能用专用工具经专门程序清洗。 使用完毕等灯箱冷却后罩上防尘罩或放入箱内，并存于干燥无尘处。

清洁工具

清洁液配方：1份无水乙醇＋3份乙醚

擦拭方法

七、光学显微分析技术的突破 近场光学显微镜 1.光学显微镜的 分辨率极限 显微分析分辨率 仪器分辨两个物点的本领。 对仪器可分辨的最临近两个物点间的距离或角度成为该仪器的分辨率极限。

衍射光斑的分辨 瑞利判据 提高分辨率的传统途径： 无法突破λ/2分辨率 极限。 ——选择更短的波长； ——采用折射率很高的材料； ——增大显微镜的孔径角。 无法突破λ/2分辨率 极限。

2. 近场光学与非辐射场 物体结构与周围光场间关系 远场与近场 ——物体表面电子电流或电荷密度分布与外部电磁场作用相互作用，使之从物体表面向自由空间传播。 ——物体表面的电磁场分布应当能够反映物体表面的场密度与电流密度。 ——实验观测的矛盾。 远场与近场 近场区域：距物体表面仅仅几个波长的区域。 远场区域：从近场区域外至无穷远处。

近场与隐失波 近场的构成： 隐失波(evanescent wave) ： ——可以向远处传播的分量， ——仅仅限于物体表面一个波长以内的分量。 隐失波(evanescent wave) ： ——“依附”于表面近场区， ——携带物体精细信息， ——强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能在自由空间存在， ——没有能量向外传输的准静电场，为非辐射场。

3. 近场探测原理 非辐射场探测器 光学隧道效应 ——位于距物体一个波长以内的位置上，在场传播以前将其俘获。 ——探测器位于距离物体表面纳米尺度的位置上，既能移动又不碰到样品。 ——使用点状探测器逐点成像： 首先收集纳米尺度的局部光信号，转变为电流/发射 到自由空间/以波导方式传播到探测系统，将逐点采 集的信息扫描成为二维图像。 光学隧道效应 ——将介电探针“浸入”隐失场（非辐射场），产生光学扰动，探针会将隐失场转变为传播场，把局限在物体近邻的信息转换出来。

4. 近场光学显微镜 传统光学显微镜与近场光学显微镜 传统光学显微镜： 近场光学显微镜： ——光源、载物台和光学放大系统。 ——由激光器和光纤探针构成的“局域光源”； ——带有超微动装置的“样品台”； ——由显微物镜等构成的“光学放大系统” ：用扫描技术使局域光源逐点照明样品，将接收到的光信号转变成电信号，再借助于计算机把显微图像勾画出来。

传统光学显微镜与近场光学显微镜 传统光学显微镜 近场光学显微镜

传统光学显微镜与近场光学显微镜的区别 照明光源的尺度和照明方法： 成像方法： ——传统光学显微镜用扩展光源在远场照明样品， ——近场光学显微镜是用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离内照明样品。 成像方法： ——传统光学显微镜用肉眼或成像仪器直接观察。 ——近场光学显微镜用局域光源逐点网格照明样品，用光电接收器接收光信号，借助计算机构画图像。

光纤探针 一般近场光学显微镜分辨率：30-50nm

八、光学显微分析 在材料科学中的应用 透射光显微镜在材料科学中的应用 在玻璃材料研究中应用 在陶瓷、水泥、耐火材料中应用 在高分子材料中应用

反光显微镜在材料科学中的应用

相衬显微镜和干涉显微镜 在材料科学中的应用

高温金相显微镜在材料科学中的应用 玻璃配合料高温熔融过程

近场光学显微镜的应用 原子力显微镜 近场光学显微镜 高密度磁盘的磁道观察