5-1 偏振光的基礎知識
一、自然光和偏振光
光是一種電磁波，屬於橫波(振動方向與傳播方向垂直)。一切實際的光源，如日光、燭光、日光燈及鎢絲燈發出的光都叫自然光。這些光都是大量原子、分子發光的總和。
雖然某乙個原子或分子在某一瞬間發出的電磁波振動方向一致，但各個原子和分子發出的振動方向也不同，這種變化頻率極快，因此，自然光是各個原子或分子發光的總和，可認為其電磁波的振動在各個方向上的機率相等。
自然光在窗過某些物質，經過反射、折射、吸收後，電磁波的振動哥以被限制在乙個方向上，其他方向振動的電磁波被大大削弱或消除。這種在某個確定方向上振動的光稱為偏振光。偏振光的振動方向與光波傳播方向所構成的平面稱為振動面。
二、直線偏振光、圓偏振光及橢圓偏振光
1．直線偏振光
直線偏振光由於光線的振動方向都在同乙個平面內，所以這偏振光又叫作平面偏振光。正對光的傳播方向看去，這種光的振動方向是一條直線，因此又叫直線偏振光或線偏振光。如圖5-1所示。
2．圓偏振光和橢圓偏振光
(1) 光的雙折射現象和晶體的光軸
當一束光線射入各向異性的晶體中時要**為兩束沿不同方向傳播的挑線，這種現象叫雙折射現象。發生雙折射的兩束光線都是偏振光。這兩束光線之一恆遵守光的折射定律，在改變入射方向時傳播速度不發生變化，這條光線稱為尋常光線，用o表示；另一束光線不遵守折射定律，當入射光線方向變化時，它的傳播速度也隨之變化，光的折射率不同，這束光稱為非常光線，用e來表示。
在各向異性晶體中，存在有某些特殊方向，在這些方向上不發生雙折射，尋常光線和非常光線傳播方向和傳播速度相同，這些方向稱為晶體的光軸，有乙個光軸的晶體叫一軸晶，有兩個光軸的晶體叫二軸晶。對於二軸晶，雙折射後的兩束光線均為非常為光線。
(2) 波晶元
波晶元簡稱波片，可用來改變或檢驗光的偏振情況。當自然光沿一軸晶光軸入射時，不發生雙折射現象。如果垂直於晶體光軸入射時產生的o光和e光仍沿原入射方向傳播，但傳播速度和折射率不同，且傳播速度相差最大。
如果在平行於一軸晶光軸方向上切下一薄片，這時晶元表面與光軸平持，這樣制得的晶元叫波晶元。當偏振光垂直於波片光軸入射時，在波片內形成傳播方向相同但傳播速度不同的o光和e光。如果波片越厚，o光和e光線波波長的整數倍，這種波片叫全波片。
依此類推，還有半波片和1/4波片等等。
(3) 圓偏振光和橢圓偏振光的形成
一束自然光以垂直於一軸晶的光軸方向入射所產生的振動面互相垂直的兩束偏振光是不相干的。因為自然光是由光源中的不同分子和原子產生的，沒有固定的位相差，所以不發生干涉。但是當一束單色偏振光通過雙折射物質後，所產生的兩束偏振光是可以相干的。
相當於兩個互相垂直的同週期的振動的合成。
當一束偏振光垂直於一軸晶光軸入射時產生兩束偏振光(o光和e光)。由於o光和e光的相位差不同而合成為直線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光。o光和e光的相位差由兩束光在晶元中折射率和晶元的厚度決定。
設no、ne分別為o光和e光的折射率，d為晶元的厚度，所產生的相位差為δφ。則。改變晶元的厚度可得不同相位差的o光和e光。
當δφ為π/2的偶數倍時可產生直線偏振光；當δφ為π/2的奇數倍時，可產生圓偏振光；當δφ不是π/2的整數倍時均可產生橢圓偏振光。圓偏振光的振動端點在光的傳播方向上投影為乙個圓，橢圓偏振光的振動端點在光的傳播方向上投影為乙個橢圓。圓偏振光和橢圓偏振光在每一瞬間只有乙個振動方向，所以仍屬偏振光。
如圖5-2所示。
3．起偏振鏡和檢偏振鏡
偏振光可用尼科爾稜鏡和偏振片得到。
尼科耳稜鏡是由方解石晶體做成。圖5-3中(a)為方解石的雙折射現象，(b)為尼科耳稜鏡的主截面圖。取長度約三倍於厚度的方解石晶體，兩端的天然而原來與底邊成71°的角，經研磨後成68°角，然後將晶體剖開，成兩塊直角稜鏡，再用加拿大樹膠將剖面粘合成一長方柱形稜鏡。
將側面cn塗黑，就製成了尼科耳稜鏡。加拿大樹膠為光性均質體對於黃綠光的折射率n=1.540，這個折射率恰好在方解石對這種顏色的o光的折射率no=1.
6583與平行於cn面的該種顏色的e光的折射率ne=1.5159之間。當一束平行於cn面的黃綠自然光由第一塊稜鏡的ac面入射在方解石內部發生雙投射現象時，分成為o光和e光。
由於o光射到加拿大樹膠的膠合面上的入射角約為76°，超過了樹膠與方解石對o光的臨界角69°，會發生全反射，被塗黑的cn面吸收。e光折射後方向仍近近似與cn面平行，方解石對這一方向上的非常光線的折射率比樹膠的折射率小，所以不會發生會反射，而穿過樹膠層進入第二塊稜鏡，然後從mn面上射出而獲得一否偏振光。其振動面在稜鏡的主截面內，在圖3(b)中用**表示。
尼科爾稜鏡的優點是對各色可見光透明度都很高，並能夠均勻完全起偏。但天然方解石**昂貴，製造比較困難，所以最常用的是偏振片。偏振片是一種使自然光變為偏振光的人造透明薄片，由於面積大成本低而被廣泛應用。
自然光射入某些晶體時可以產生振動方向互相垂直的兩束直線偏振光，同時將其中一束強列吸收，另一束通過，晶體的這種效能叫晶體的二色性。用具有二色性的晶體製造的偏振片可用來產生偏振光。例如，電氣石晶體能夠強烈吸收尋常光線，1mm厚的電氣石晶體即可把尋常光線全部吸收而讓非常光線通過，產生一束非常光線的偏振光。
過碘硫酸奎寧也是一種二色性極強的晶體，0.1mm厚的薄膜就足以使自然變成直線偏振光。
另外一種偏振片是用聚乙烯醇膜來製造的。將聚乙烯醇的分子拉伸成為線性結構，平行排列，則其薄膜只允許平行分子排列方向振動的光通過，而產生直線偏振光。
在偏光顯微鏡中能產生偏振光的偏振片叫起偏振鏡，另外在起偏振鏡後面還有乙個檢偏振鏡(或叫分析器)，如圖5-4所示。當兩個偏振鏡振動軸平行時，起偏振鏡a產生的偏振光可以完全通過b檢偏鏡；當a、b振動軸成一定角度時，a產生的偏振光只有部分能通過檢偏鏡b，而當a與b的振動軸垂直時，a產生的偏振光完全被b阻擋，產生消光現象。如果是圓偏振光，用檢偏振鏡檢查時不發生消光現象，光的強度不發生變化。
如果是橢圓偏振光，用檢偏振鏡檢查量不發生消光現象，但光的強度要發生變化，當b的振動軸與橢圓長軸重合時，光的強度最大，與橢圓的短軸重合時，光的強度最小。
5-2 偏振光的反射原理
偏振光在光性均質體表面上的反射遵循反射定律，在各個方向上的反射率都相同。
偏振光在光性非均質體表面上的反射，在晶粒的不同的位向上反射率不同(光的反射率是指反射光強度與入射光強度的比值)。設起偏振鏡的振動方向為pp，檢偏振鏡的振動方向為aa，偏振光在光性非均質體的光軸方向上的反射率為r，垂直於光軸方向上的反射率為s，r≠s(r=s為光性均質體的反射)。設r>s，如圖5-5所示，一束光經起偏振鏡後得到振幅為f的pp方向振動的偏振光，入射到光性非均質體表面上，振幅為f的偏振光分解為平行於光軸和垂直於光軸方向上的兩個分量，設光軸與pp方向的夾角
為θ，則：
反射後由於兩個方向上反射率不同，平行於光軸方向的分量的反射光為：
垂直於光軸方向的分量的反射光為：
兩個分量疊加，設疊加後的振幅為a
1)振幅為a的偏振光不再是pp的振動方向，而是轉過乙個ω角度，疊加後的偏振光有乙個分量(i+)可以通過與起偏振鏡振動方向垂直(或正交)的檢偏振鏡，則：
i+=asin2)
上式經變換可知：
3)公式推導過程如下：
4)從(4)式得到
5)6)
7)將(5)和(6)代入(7)式得到：
在(3)式中，後項sin2θ與晶體效能無關，只與轉動載物台的操作有關，前項與晶體效能有關。對於光性均質體，r-s=0，i+=0。轉動載物台一周(360°)，在目鏡看到黑暗的全消光現象。
對光性非均質體，r-s≠0，轉動載物台一周(360°)，當轉過的θ角為0°，90°，180°，270°時，sin2θ=0，產生消光現象；當θ角為45°，135°，225°，315°時，sin2θ=1，此時光線最強；θ角為其他角度時，顯微組織的亮度在上兩種情況之間。因此在轉動晶體一圈(360°)中，將觀察到四次明亮和四次消光，即出現四明四暗現象。有時由於試樣不是十分平滑，可能會發生光線的漫射，看到的不是完全黑暗的顏色，而是灰色。
但這種漫射光的強度不隨載物台的轉動而發生變化。
5-3 偏振光裝置的調整及使用
反光偏光顯微鏡也叫礦相顯微鏡。在一般大型顯微鏡光路中，只要加入兩偏振片即可，即在入射光路中加入乙個起偏振片，在觀察鏡中加入乙個檢偏振片，就可以實現偏振光照明。除了起偏振鏡和檢偏振鏡外，有時還加入乙個靈敏色片，用來檢驗橢圓偏振光，並獲得色偏振(如圖5-6所示)。
一、 起偏振鏡位置的調整
起偏鏡一般安裝在可以轉動的圓框內，借助手柄轉動調節，調節的目的是為了使起偏振鏡出來的偏振光動面水平，以保證垂直照明器平面玻璃反射進入物鏡的偏振光強度最大，且仍為直線偏振光。
調整方法，是將經過拋光而未經腐蝕的不鏽鋼試樣(光性均質體)放在載物台上，除去檢偏振鏡，只裝起偏振鏡，從目鏡內觀察聚焦後試樣磨面上反射光的強度，轉動起偏振鏡，反射光強度發生明暗變化，當反射光最強時，就是起偏振鏡振動軸的正確位置。
二、檢偏振鏡位置的調整
起偏振鏡位置調整好後，裝入檢偏振鏡，調節檢偏振鏡的位置，當在目鏡中觀察到最暗的消光現象時，就是檢偏振鏡與偏振鏡正交的位置。在實際觀察中，常將檢偏振鏡作乙個小角度的偏轉，以增加顯微組織的襯度。其偏轉的角度由刻度盤上的刻度指示出來。
若將檢偏振鏡在正交位置轉動90°，則兩偏振鏡振動軸平行，這時和一般光線下照明的效果相同。
許多金相顯微鏡在出廠時已經把起偏振鏡或偏振鏡的振動軸的方向固定好，只要調節另乙個偏振鏡的位置就可以了。
三、 物台中心位置的調整
利用偏振光鑑別物相時，經常需要將載物台作360°旋轉，為使觀察目標在載物台旋圍時不離開視域，在使用前必須調節載物台的機械中心與顯微鏡的光學系統主軸重合。一般是通重載物台上的對中螺釘進行調整。
四、 偏振光照明下的色彩(色偏振)
以上都是討論在單色偏振光照明下的情況，如果考慮到偏振光波長的影響，即用白色偏振光照明，會產生色彩。
在金相顯微鏡中進行正交偏振光的觀察時，在光程中插入靈敏色片(目前多用λ=5760nm的全波片)後，各向異性的金屬不同晶粒會出現不同的顏色。觀察各向同性金屬時，不加入靈敏色片，也會有不同顏色，但色彩不豐富。加入全波片後，色彩變得鮮豔。
第五章光現象
一 選擇題 1 如圖1所示的四種現象中，由於光的直線傳播形成的是 2 如圖2a b表示站住豎直鏡子前面的兩個人，第三個人應站住何處才能看到這兩個人的像重疊 ab連線的中點 在以ab連線為入射光線的反射光線路徑上 ab連線b的外側處 上述三個地方都能看到兩個人的像重疊 3 下列現象中屬於光的折射現象的...
第五章光現象知識點小結
第五章光現象 1 能夠自行發光的物體叫做 光在中沿直線傳播。2 光沿直線傳播例項月食瞄準 3 光在真空或空氣的傳播速度是宇宙間最快的速度，約為光在水中的速度大約是空氣中的 光在玻璃中的速度大約是空氣中的 4 色散現象說明白光不是 而是由 組成的。例 彩虹 5 色光的三原色是顏料的三原色是透明體的顏色...
第五章光現象知識梳理 帶答案
第五章光現象 知識梳理 1叫光源。光源分為 光源和 光源。2 光在同一種均勻介質中沿 傳播。3 光沿直線傳播的例子有 4 光的傳播需要時間。光 在真空中傳播，光在真空中的速度為 m s.光在其它透明介質中的傳播速度比在真空中小。5 光的反射定律 光在發生反射時反射光線 入射光線和法線在 平面內，反射...