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一、 概述

    自古以來，人們就對微觀世界充滿了敬畏和好奇心。光學(xué)顯微分析技術(shù)則是人類打開微觀物質(zhì)世界之門的第一把鑰匙。通過五百多年來的發(fā)展歷程，人類利用光學(xué)顯微鏡步入微觀世界，絢麗多彩的微觀物質(zhì)形貌逐漸展現(xiàn)在人們的面前。

    15世紀(jì)中葉，斯泰盧蒂（Francesco Stelluti）利用放大鏡，即所謂單式顯微鏡研究蜜蜂，開始將人類的視角由宏觀引向微觀世界的廣闊領(lǐng)域。此后，人們從簡單的單透鏡開始學(xué)會組裝透鏡具組，進而學(xué)會透鏡具組、棱鏡具組、反射鏡具組的綜合使用。約在1590年，荷蘭的詹森父子（Hans and Zacharias Janssen）創(chuàng)造出最早的復(fù)式顯微鏡。17世紀(jì)中葉，物理學(xué)家胡克（R. Hooke）設(shè)計了第一臺性能較好的顯微鏡，此后惠更斯（Christiaan Huygens）又制成了光學(xué)性能優(yōu)良的惠更斯目鏡，成為現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡中多種目鏡的原型，為光學(xué)顯微鏡的發(fā)展作出了杰出的貢獻。19世紀(jì)德國的阿貝（Ernst Abbe）闡明了光學(xué)顯微鏡的成像原理，并由此制造出的油浸系物鏡，使光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)達到了0.2微米的理論極限，制成了真正意義的現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡。目前，光學(xué)顯微鏡已由傳統(tǒng)的生物顯微鏡演變成諸多種類的專用顯微鏡，按照其成像原理可分為：

    ① 幾何光學(xué)顯微鏡：包括生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微鏡、暗視野顯微鏡等。

    ② 物理光學(xué)顯微鏡：包括相差顯微鏡、偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。

    ③ 信息轉(zhuǎn)換顯微鏡：包括熒光顯微鏡、顯微分光光度計、圖像分析顯微鏡、聲學(xué)顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。

    隨著顯微光學(xué)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率極限的近場光學(xué)顯微鏡，將光學(xué)顯微分析的視角伸向納米世界。

    在材料科學(xué)領(lǐng)域中，大量的材料或生產(chǎn)材料所用的原料都是由各種各樣的晶體組成的。不同材料的晶相組成直接影響到它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；而生產(chǎn)材料所用原料的晶相組成及其顯微結(jié)構(gòu)也直接影響著生產(chǎn)工藝過程及產(chǎn)品性能。因此對于各種材料及其原料的性能、質(zhì)量的評價，除了考慮其化學(xué)組成外，還必須考慮它的晶相組成及顯微結(jié)構(gòu)。所謂顯微結(jié)構(gòu)就是指構(gòu)成材料的晶相形貌、大小、分布以及它們之間的相互關(guān)系。

    利用光學(xué)顯微分析技術(shù)進行物相分析就是研究材料和其原料的物相組成及顯微結(jié)構(gòu)，并以此來研究形成這些物相結(jié)構(gòu)的工藝條件和產(chǎn)品性能間的關(guān)系。

 

二、晶體光學(xué)基礎(chǔ)

 

（一）光的物理性質(zhì)

 

    光是鍵合電子在原子核外電子能級之間激發(fā)躍遷產(chǎn)生的自發(fā)能量變化，導(dǎo)致發(fā)射或吸收輻射能的一種形態(tài)。在麥克斯韋電磁理論中，認(rèn)為光是疊加的振蕩電磁場承載著能量以連續(xù)波的形式通過空間。而按照量子理論，光能量是由一束具有極小能量的微粒即"光子"不連續(xù)地輸送著，表明光具有微粒與波動的雙重性，即波粒二象性。由于光學(xué)顯微分析所觀察到的光與物質(zhì)的相互作用效應(yīng)，在特性上像波，故利用光的波動學(xué)說解決晶體光學(xué)問題。

    電磁波在空間的傳播過程中，電磁場振動垂直其傳播方向，因此光是橫波，即光波振動與傳播方向垂直。電磁波的范圍極為廣泛，包括無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線等。它們的本質(zhì)完全相同，只是波長（或頻率）不同而特性也不同。按照它們的波長大小依次排列便構(gòu)成一個電磁波譜，如圖2.1所示。

    從電磁波譜中可以看出，可見光只是整個電磁波譜中波長范圍很窄的一段，其波長約為3900到7700埃。這一小波段電磁波能引起視覺、故稱為可見光波。不同波長的可見光波作用在人的視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的視覺不一樣，因而產(chǎn)生各種不同的色彩。當(dāng)波長由大變小時．相應(yīng)的顏色由紅經(jīng)橙、黃、綠、藍(lán)、靛連續(xù)過渡到紫。各種顏色的大致波長范圍如圖2.1所示。通常所見的"白光"實質(zhì)上就是各種顏色的光按一定比例混合成的混合光。

圖2.1 電磁波普

   根據(jù)光波的振動特點，光又可以分成自然光和偏光兩種。

   所謂自然光就是從普通光源發(fā)出的光波，如太陽光、燈光等。光是由光源中的大量分子或原子輻射的電磁波的混合波，光源中的每一個分子或原子在某一瞬間的運動狀態(tài)各不相同，因此發(fā)出的光波振動方向也各不相同。因此自然光的振動具有兩方面的性質(zhì)：一方面它和光波的傳播方向垂直，另一方面它又迅速地變換著自己的振動方向，也就是說自然光在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)的任意方向振動。如圖2.2a所示。由于發(fā)光單元的數(shù)量極大，因此自然光各個方向上振動的幾率相同，在各個方向上振幅也相等。

   偏振光是自然光經(jīng)過某些物質(zhì)的反射、折射、吸收或其它方法，使它只保留某一固定方向的光振動，如圖2.2b所示。

   偏振光的光振動方向與傳播方向組成的平面稱為振動面。由此也將偏振光稱為平面偏光，簡稱偏光。

 

（二） 光與固體物質(zhì)的相互作用

 

     一束光入射到固體物質(zhì)的表面，會產(chǎn)生光的折射、反射和吸收等現(xiàn)象，其折射、反射和吸收性能和光的性能、入射方法及固體物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

 

1. 光的折射

 

    無論光是自然光還是偏光，當(dāng)它從一種介質(zhì)傳到另一介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上將產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。反射光將按照反射定律反射回原介質(zhì)中。而折射光將從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)中。

    光從一種介質(zhì)進入到另一種介質(zhì)而發(fā)生折射時，入射線、折射線和兩種介質(zhì)分界面的法線同在一

個平面內(nèi)。入射線a與折射面AB法線N的夾角稱入射角i，折射線b與法線N的夾角稱折射角r。入射角的正弦與折射角的正弦之比等于光波在入射介質(zhì)中的波速與折射介質(zhì)中的波速之比，此比值稱為折射介質(zhì)對入射介質(zhì)的相對折射率，如圖2.3所示，稱為折射定律。折射定律可以借惠更斯波前原理證明并可用下列公式表示：

式中：Vi為光在入射介質(zhì)中的速度；Vr為光在折射介質(zhì)中的速度；N稱為折射介質(zhì)對入射介質(zhì)的相對折射率（又稱折光率）。