非常有用的固体物理实验方法课光学显微分析分析.pptx

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1、3.1 3.1 概述1625年，人门第一次把一个放大用的工具命名为显微镜，直到1655年才开始用在科学上。第1页/共63页罗伯特罗伯特 虎克制造的显微镜（虎克制造的显微镜（1665）罗伯特罗伯特 虎克观察虎克观察到的细胞到的细胞1665 最早最早应用于科学用途的显微镜应用于科学用途的显微镜第2页/共63页列文虎克和他的显微镜（约1680）第3页/共63页列文虎克观察到的列文虎克观察到的“小动物小动物”第4页/共63页18世纪单筒显微镜 第5页/共63页18世纪双筒显微镜第6页/共63页19世纪双筒显微镜第7页/共63页普通光学显微镜普通光学显微镜第8页/共63页相位差显微镜相位差显微镜第9页/

2、共63页解剖显微镜解剖显微镜第10页/共63页光学显微镜第11页/共63页3.2 3.2 光学透镜的成像原理1 1、光的折射2、光的衍射3、透镜的像差第12页/共63页1.光的折射光的折射特点：（1）介质中光传播的速度越大，则该介质的折射率越小；（2）光在真空中的传播速度最大。（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。光的折射定律：光的折射定律：abABNIirII第13页/共63页凸透镜的五种成像规律 (1)当物体位于透镜物方二倍焦距以外时，则在像方二倍焦距以内、焦点以外形成缩小的倒立实像；(2)当物体位于透镜物方二倍焦距上时，则在像方二倍

3、焦距上形成同样大小的倒立实像；(3)当物体位于透镜物方二倍焦距以内，焦点以外时，则在像方二倍焦距以外形成放大的倒立实像；(4)当物体位于透镜物方焦点上时，则像方不能成像；(5)当物体位于透镜物方焦点以内时，则像方也无象的形成，而在透镜物方的同侧比物体远的位置形成放大的直立虚像。第14页/共63页2.2.光的衍射光的衍射 光在传播过程中，如果遇到障碍物，其传播方向会发生变化，能绕过障碍物的边缘而继续前进而发生衍射现象。第15页/共63页S1S2S1S2S1S2能分辨能分辨恰能分辨恰能分辨不能分辨不能分辨第16页/共63页 瑞利判据（瑞利判据（ReyleighReyleighs criterion

4、s criterion）：）：S1S2I对玻璃透镜，取最大孔径半角a=7075，在物方介质为油的情况下，n 1.5，则其数值孔径n sina=1.25 1.35，上式可简化为 如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠当斑中心间距等于Airy 斑半径时，强度峰谷值相差19，人眼可以分辨。可见光的波长范围是390nm-760nm,第17页/共63页3 3、光学透镜的像差 像差：在成像中出现的所有缺陷和偏差。按像差产生的原因来分类单色像差（球差、像场弯曲、像散）色差第18页/共63页P象P透镜物P光轴球差RsRs越小，透镜的分辨率越高第19页/共63页透镜物P光轴色差紫红第20页/共63页3

5、.3 3.3 金相显微镜1、工作原理2、显微镜的结构第21页/共63页1、工作原理n n显微镜的放大倍数显微镜的放大倍数MM可由下式确定：可由下式确定：物镜：靠近物体的透镜。物镜：靠近物体的透镜。目镜：靠近眼睛的透镜。目镜：靠近眼睛的透镜。物镜使物体物镜使物体AB AB 形成放大倒立的形成放大倒立的实像实像A A B B（称为中间像）（称为中间像）目镜将目镜将A A B B 放大成倒立虚像放大成倒立虚像ABAB。其位置正好是明视距。其位置正好是明视距离（约为离（约为250mm250mm处），在显处），在显微镜里看到的就是这个虚像微镜里看到的就是这个虚像ABAB。AB物镜AB目镜ABDLf目第2

6、2页/共63页LAB物镜目镜A1B1B3A3f2D修改图物镜使物体物镜使物体AB AB 形成放大倒立的实像形成放大倒立的实像A1B1A1B1（称为中间像）（称为中间像）,目镜将目镜将A1B1A1B1放大放大成倒立虚像成倒立虚像A3B3A3B3。其位置正好是明视距。其位置正好是明视距离（约为离（约为250mm250mm处），在显微镜里看到处），在显微镜里看到的就是这个虚像的就是这个虚像A3B3A3B3。第23页/共63页2 2、显微镜的结构 机械和支架系统滤光片组成光学放大系统照明系统物镜光源聚光镜目镜第24页/共63页光学显微镜基本结构光学显微镜基本结构：1.照明灯照明灯2.聚光器聚光器3.载

7、物台和切片夹载物台和切片夹4.推进器推进器5.物镜物镜6.粗细螺旋粗细螺旋7.目镜目镜8.照相机等接口照相机等接口第25页/共63页物镜(objective)(objective)物镜是光学显微镜成像系统中决定其分辨率（分辨本领）的最关键部件。第26页/共63页根据像差的校正程度，物镜可分为下列几种根据像差的校正程度，物镜可分为下列几种(1)(1)消色差物镜（消色差物镜（apochromatic objectiveapochromatic objective）(2)(2)复消色差物镜复消色差物镜(apochromatic objective APO)(apochromatic objectiv

8、e APO)(3)(3)萤石物镜萤石物镜(fluorite objective FL)(fluorite objective FL)(4)(4)平场物镜平场物镜(planobjective(planobjective)“PLPL”(平场消色差物镜平场消色差物镜)“PLPLAPOAPO”(平场复消色差物镜平场复消色差物镜)“PLPL FLFL”（平场萤石物镜）（平场萤石物镜）物镜的种类物镜的种类第27页/共63页消色差物镜（消色差物镜（apochromatic objectiveapochromatic objective）色差校正使可见光中红光和蓝光聚焦于一点，而黄绿光则聚焦于另一点。能够消除

9、光谱中红光和蓝光所形成的色差。这种物镜与目镜配用时可达到消色差物镜所要求的光学性能。第28页/共63页 根据介质情况分(1)干燥系(dry system)物镜(2)浸没系(immersion system)物镜 油浸物镜外壳上刻有：“oil”、“imm”和“HI”等字样 水浸物镜刻有“W”或“Water”字样 油、水浸两用物镜则刻上“oil+w”字样 甘油浸没物镜刻有Glyc或“Glyz”等字样第29页/共63页物镜的识别1 1）物镜类型）物镜类型 国产：用英文缩写国产：用英文缩写 国外：用英文名称国外：用英文名称2)2)放大倍数放大倍数 用数字表示，如用数字表示，如44、10 10 、20

10、20 、40 40 和和100 100 等。等。3)3)数值孔径（数值孔径（N NA A）如如0.250.25，0.650.65和和1.31.34)4)标准机械筒长标准机械筒长 1601600.17 1600.17 1600 0或或160160-；0 0或或-5)5)需用盖片情况需用盖片情况6)6)物镜与被检样品间的介质情况物镜与被检样品间的介质情况 干镜头一般不标符号，凡油浸标干镜头一般不标符号，凡油浸标“HIHI”或或“oiloil”第30页/共63页目镜(eyepiece(eyepiece，ocular)ocular)目镜可分下列几种：1惠更斯目镜(Huygeian eyepieces)

11、2兰姆斯登目镜(Ramsden eyepieces)3补偿目镜(compensating eyepieces)4平场目镜(planeyepiece)“PEN PLAN”、“PLANOSCOPIC”、“PLAN”、“KPL、“GF”和GW”等。5摄影目镜(photographiceyepiece)第31页/共63页1钨丝灯 通常，工作电压6-8 V,功率15-100W2卤钨灯 “碘钨循环”I2-2I-WI2-W+I23、碳弧灯 采用交流电，使相互接近的碳棒，产生强烈的电弧而发光4、氙灯 石英玻璃管内装钨电极并冲入高压氙气，利用放电发光 照明光源（照明光源（light source）第32页/共6

12、3页聚光镜（condensercondenser）光源射出的光线通过聚光器汇聚成光锥照射标本，增强明度和造成适宜的光锥角度，提高物镜的分辨力。聚光器由聚光镜和虹彩光圈组成。调节聚光镜的高度和虹彩光圈的大小，可得到适当的光照和清晰的图像。滤光片（filterfilter）选用适当的滤光片，可以提高分辨力，增加影像的反差和清晰度。滤光片有紫、青、蓝、绿、黄、橙、红等各种颜色的，分别透过不同波长的可见光，可根据标本本身的颜色，在聚光器下加相应的滤光片。第33页/共63页(1)(1)数值孔径(numerial aperture)(numerial aperture)显微镜的能力显微镜的能力(2)(2)

13、(2)(2)分辨率分辨率(resolving power)(resolving power)(resolving power)(resolving power)(3)(3)(3)(3)放大率放大率(magnification)(magnification)(magnification)(magnification)(4)(4)焦点深度焦点深度(depth of focus)(depth of focus)第34页/共63页3.4 3.4 金相试样的制备金相试样的制备取样 镶样 磨光 抛光 显示磨 制第35页/共63页 究竟选用何种方法，则视零件的大小、性质、材质究竟选用何种方法，则视零件的大小

14、、性质、材质和热处理工艺等具体条件而定，但截取的试样必须保证和热处理工艺等具体条件而定，但截取的试样必须保证观察面的组织不受到影响。观察面的组织不受到影响。截取金相试样的方法很多，方法和种类如图所示。截取金相试样的方法很多，方法和种类如图所示。金相试样切割机1 1、取样、取样试样截取方法气割机械法线切割砂轮切割锯机床打断车床铣床刨床第36页/共63页2 2、镶样、镶样小试样的夹持方法小试样的夹持方法（a）薄片试样；）薄片试样；（b）块状试样）块状试样 一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样，但试样尺寸过小或形状极不规则者，如带、丝、片、管，制备试样十分困难，就必须把试样镶嵌起来。第37页/

15、共63页热镶样机热镶样机热镶嵌-镶嵌材料有热固性塑料(如电木粉)、热塑性塑料(如聚氯乙烯)。电木粉不透明，有各种颜色，比较硬，试样不易倒角，但耐腐蚀性能比较差；聚氯乙烯为半透明或透明的，耐腐蚀性能好，但较软。镶样均需用专门的镶样机加压加热成型。冷镶嵌-对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易发生塑性变形的软金属)，以及微裂纹的试样。环氧树脂、牙托粉镶嵌法对粉末金属，陶瓷多孔性试样特别适用。第38页/共63页3 3、磨光、磨光 手工磨光是把砂纸平置于玻璃板上，然后将试手工磨光是把砂纸平置于玻璃板上，然后将试样用手轻压在砂纸上作同前平推、提起、拉回，再样用手轻压在砂纸上作同前平推、提起、拉回，再

16、向前平推三个基本动作，直到这一道磨光工序符合向前平推三个基本动作，直到这一道磨光工序符合要求为止。要求为止。（2）细磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。（1）粗磨的目的是整平试样，并磨成合适的形状,通常在砂论机上进行。第39页/共63页 试样经过切削磨光后变形层厚度变化示意图第40页/共63页金相砂纸的规格金相砂纸的规格第41页/共63页水磨砂纸的编号、粒度号与粒度尺寸水磨砂纸的编号、粒度号与粒度尺寸第42页/共63页4、抛光、抛光 机械抛光机械抛光是当前应用最广的抛光方法，它是在专门的金相试样抛光机上是当前应用最广的抛光方法，它是在专门的金相试样抛光机上进行的。细磨后

17、的试样经冲洗（避免粗磨粒带入抛光工序）后进行的。细磨后的试样经冲洗（避免粗磨粒带入抛光工序）后，将其磨面轻轻地将其磨面轻轻地置于抛光盘上进行抛光。置于抛光盘上进行抛光。抛光用的织物可用粘结剂粘在抛抛光用的织物可用粘结剂粘在抛光盘表面，也可用套圈箍紧在抛光盘光盘表面，也可用套圈箍紧在抛光盘上。织物的作用是保存抛光剂和摩擦上。织物的作用是保存抛光剂和摩擦磨面使之光亮。磨面使之光亮。抛光粉有不同粒度，分成抛光粉有不同粒度，分成W7、W5、W3直到直到W0.25等。等。W7表示最表示最粗磨粒直径为粗磨粒直径为7m；如此类推。；如此类推。抛光机抛光机抛光的目的是要尽快把磨光留下的细微磨痕成为光亮无痕的镜

18、面。金相试样的抛光基本分为：机械抛光、电解抛光、化学抛光三类。第43页/共63页电解抛光装置与电解光原理 (a)电解抛光装置 （b）电解抛光原理第44页/共63页4、显示、显示常用的组织的显示方法：电解侵蚀-一般针对两相（或合金）的侵蚀。化学侵蚀-一般针对纯金属或均匀单相合金的侵蚀。试样机械抛光后，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还必须让试样经过腐蚀。第45页/共63页纯金属及单相合金化学腐蚀示意图由于晶界上原子排列不规则，具有较高自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，第46页/共63页金属材料常用的腐蚀剂金属材料常用的腐蚀剂第47页/共63页

19、偏光显微镜偏光显微镜n n偏光显微镜是用于研究所谓透明与不透明各向异性材料的一种显微镜。凡具有双折射的物质，在偏光显微镜下就能分辨的清楚。第48页/共63页自然光和偏振光光波是横波，光波是横波，E、H、v三者都是垂直的。可引起人的视三者都是垂直的。可引起人的视觉的只有觉的只有 E 矢量，矢量，故称故称E 矢量矢量为为光矢量。光矢量。第49页/共63页自然光自然光：包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同。如太阳、电灯等普通光源发出的光。第50页/共63页偏振光偏振光：光波的光矢量在一个固定的平面内只沿着一个方向振动。播传方向振动面面面向向播播动动振振方

20、方传传第51页/共63页线偏振光的获得线偏振光的获得线偏振光线偏振光1 1、用偏振片获得线偏振光、用偏振片获得线偏振光偏振化方向偏振化方向Z偏振片偏振片第52页/共63页2、用双折射法获得偏振光O O光（寻常光）光（寻常光）遵守折射定律遵守折射定律e e光（非常光）光（非常光）不遵守折射定律不遵守折射定律ACBoeDeo第53页/共63页尼克尔棱镜原理：原理：把自然光分成寻常把自然光分成寻常光和非寻常光，然后利用全光和非寻常光，然后利用全反射把寻常光反射到棱镜侧反射把寻常光反射到棱镜侧壁上，只让非寻常光通过，壁上，只让非寻常光通过，从而获得一束振动方向固定从而获得一束振动方向固定的线偏振光。的

21、线偏振光。光轴光轴加拿大胶加拿大胶对于对于o光光产生全反射产生全反射对于对于e光光可以透过，则获得偏振光。可以透过，则获得偏振光。尼克尔棱镜比较贵,多用于高级光学实验。加工后将两块方解石用加工后将两块方解石用加拿大胶粘合起来，加拿大胶粘合起来，第54页/共63页布儒斯特角线偏振光线偏振光3、用反射和折射法获得偏振光、用反射和折射法获得偏振光布儒斯特定律布儒斯特定律第55页/共63页偏振光的类型及鉴别线偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次消光现象。椭圆偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，可以出现两次强光和两次弱光现象，不发生消光现

22、象。圆偏振光 当起偏镜位置固定，而转动检偏镜时，每转动360o，通过的强度都相等。第56页/共63页显微镜的偏光装置第57页/共63页镜臂、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 n n偏光显微镜的构造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、反光镜第58页/共63页镜臂 反光镜 镜座第59页/共63页偏光显微镜的调节 装卸镜头 对光 准焦 校正中心 校正偏光镜第60页/共63页小 结1、光学显微镜的工作原理2、金相试样的制备过程3、偏振光显微镜的原理和应用第61页/共63页第三章 光学显微镜习题1.光学透镜的成像原理 光的折射、光的衍射。2.金相试样的制备的过程 取样、镶样、磨光、抛光、显示。3.透镜的像差 球差、色差。4.显微镜的能力 数值孔径、分辨率、放大率、焦点深度。5.实际操作第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页