第1楼2005/10/29
改变照明方式,可以获得亮背景上的暗物点(称亮视场照明)和暗背景上的亮物点(称暗视场照明)等不同的观察方式,以便在不同情况下更好地发现和观察微细结构。
分类 光学显微镜有多种分类方法:①按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜;②按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜;③按观察对像可分为生物和金相显微镜等;④按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等;⑤按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等;⑥按接收器类型可分为目视、摄影和电视显微镜等。常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。
双目体视显微镜 利用双通道光路为左右两眼提供一个具有立体感的图像。它实质上是两个单镜筒显微镜并列放置,两个镜筒的光轴构成相当于人们用双目观察一个物体时所形成的视角,以此形成三维空间的立体视觉图像。双目体视显微镜在生物、医学领域广泛用于切片操作和显微外科手术;在工业中用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。
金相显微镜 专门用于观察金属和矿物等不透明物体的金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察,故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光,而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面,被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路硅片的检测工作。
偏光显微镜 用偏振光对物体进行观测的显微镜。它的工作原理是在普通显微镜的照明光路中加入起偏器,使照到物面上的照明光束变成具有单一偏振方向的偏振光。在物镜和目镜之间的成像光路中加入检偏器,它的偏振方向与起偏器的偏振方向互成90°。如果被观物体不改变入射照明光束的偏振状态,则出射光便被检偏器完全阻挡,不能形成图像;如果被观物体改变入射光的偏振状态,则有一部分光通过检偏器,提供某些原来在非偏振光中发现不了的图像信息。偏光显微镜在地质、生物、材料工程等领域中用于观测晶体双折射、晶轴方向和偏振面旋转。
紫外荧光显微镜 用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标本在可见光中觉察不到结构细节,但经过染色处理,以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光,形成可见的图像。这类显微镜常用于生物学和医学中。
相衬显微镜和微差干涉对比显微镜 利用相位差和干涉原理来提高观察效果的显微镜。在普通显微镜中,图像的对比度是由于物体各部位对光的吸收率不等而造成的。但在某些细胞组织和金属结构中,各部位的吸收率差别太小,以致不能形成可觉察的对比度。对于这类物体往往需要进行染色处理(对细胞组织)或酸腐蚀处理(对金属)以造成可见的对比差别。而这些处理过程可能引入人为的假像,从而歪曲原有特征的真实性。相衬法和微差干涉对比法就是为了避免这些缺点而发展起来的。当光波通过吸收率相等或相近的各个部位时,吸收率可能没有差别,但通过各部位的光程差可能不等。相衬法和微差干涉对比法利用干涉效应把通常情况下人眼不可见的光程差转换成可见的亮暗差,形成可见的结构对比图像。这类显微镜广泛用于金属学、医学和集成电路制备工艺中。
红外显微镜 用红外光源照明和成像的显微镜。在显微镜的实像面处装入红外变像管,把不可见的红外图像转换成可见图像。利用某些物体对红外光的透射或反射特性来观察在可见光中觉察不到的结构。这类显微镜用于赝品鉴别、硅晶片表面缺陷检测等。
电视显微镜和电荷耦合器显微镜 以电视摄像靶或电荷耦合器作为接收元件的显微镜。在显微镜的实像面处装入电视摄像靶或电荷耦合器取代人眼作为接收器,通过这些光电器件把光学图像转换成电信号的图像,然后对之进行尺寸检测、颗粒计数等工作。这类显微镜的主要优点是与计算机联用后便于实现检测和信息处理的自动化,应用于需要进行大量繁琐的检测工作的场合。
扫描显微镜 成像光束能相对于物面作扫描运动的显微镜显微镜使用者所关心的主要性能指标有两个:一是标志着提供信息的细致程度的分辨率高低;二是标志着一次获取信息数量的被观视场大小。这两个指标一般是互相矛盾和制约的。在扫描显微镜中依靠缩小视场来保证物镜达到最高的分辨率,同时用光学或机械扫描的方法使成像光束相对于物面在较大视场范围内进行扫描,并用信息处理技术来获得合成的大面积图像信息。这类显微镜适用于需要高分辨率的大视场图像的观测
第7楼2005/11/19
第一章 | 第二章 | 第三章 | 第四章 | 第五章 | 第六章 | 第七章 | 第八章 | 第九章 |
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1几何光学基本定律
2惠更斯原理
3费马原理
4成像
5共轴球面傍轴成像
6薄透镜
7光学仪器
8光阑
9像差
10光度学基本概念
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1定态光波与复振幅描述
2波前
3波的迭加和波的干涉
4两个点源的干涉
5光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理
6菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射
7夫琅和费单缝和矩孔衍射
8光学仪器的像分辨本领
9光学横波性与五种偏振态
10光在电介质表面的反射和折射 菲涅耳公式
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1分波前干涉装置 光场的空间相干性
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1多缝夫琅和费衍射
2光栅光谱仪
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1衍射系统的屏函数和相因子判断法
2正弦光栅的衍射
3阿贝成像原理与相衬显微镜
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1全息照相的过程与特点
2全息照相的原理
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1双折射
2晶体光学器件
3圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验
4偏振光的干涉及其应用
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1光的吸收
2色散
3群速
4光的散射
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1热辐射
2光的粒子性和波粒二象性
3玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论
4激光的产生
5激光器对频率的选择
6激光的特性及应用
第七章 光在晶体中的传播
第三节 圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验
在第二章9.5,9.6节里我们已引进圆偏振光和椭圆偏振光的概念。那里曾看到,它们都可看成是相互垂直并有一定位相关系的两个线偏振光的合成。为了进一步详细研究这两种偏振光,必须对垂直简谐振动的合成问题比较熟悉。读者可能已力学课中学过这个问题,下面我们用一小节的篇幅结合光学业内容复习一下将是有益的。
3.1垂直振动的合成
在光波的波面中取一直角坐标系,将电矢量E分解为两个分量和,它们是同频的,设相对于的位相差为,即
下面讨论不同情况下的合成振动。
(1)δ=0或π情形
由此得
这是直线方程。由于Ex和Ey的变化范围分别限制在±Ax和±Ay之间,电矢量端点的轨迹是以Ex=±Ax,Ey=±Ay为界的矩形的对角线。δ=0时取正号,轨迹是一、三象限的对角线(图3-1(a)),δ=π时,取负号,轨迹是二、四象限的对角线(图3-1(b))。在这两种情况下,合成的偏振态仍是线偏振的,其振幅为
振动方向由下式决定:
(2)δ=±π/2情形
消去t,得
这是标准的椭圆方程,其主轴分别沿x,y方向,与上述矩形框内切(图3-2)
当Ax=Ay=A时,矩形框变为正方形框,椭圆退化为与此方框内切的圆(图3-3)
虽然δ=±π/2时的轨迹一样,但旋转方向是相反的。为了考察旋转方向,我们可看t=0时刻的情况,这时Ex=Axcosωt =Ax,Ey=±Aysinωt=0,即电矢量的端点处在在图或图中P点的位置,我们设置此后过了一短时间△t,这时若δ=+π/2,则Ey=-Aysinω△t<0;若δ=-π/2,则Ey=+Aysinω△t>0。这就是说,δ=+π/2时电矢量的端点自P点向下移,沿顺时针方向旋转(右旋);δ=-π/2时电矢量的端点自P点向下移,没逆时针方向旋转(左旋)。
(3)普遍情形
由式(3·1)中的两式消去t,得轨迹方程
这是个一般椭圆方程,它也与以Ex=±Ax,Ey=±Ay为界的矩形相内切,不过其主轴可以是倾斜的(图)。主轴究竟朝哪一边倾斜,以及是左旋还是右旋,与δ在哪一象限有关。图分别给出δ在四个象限里的情形。我们以δ在第三象限为例来说明。
先看t=0的时刻,此时Ex=Axcosωt=Ax,它表明电矢量端点位置P处在椭圆轨迹与Ex=Ax的直线相切的切点上,若δ在第三象限,则Ey=Aycos(ωt+δ)=Aycosδ<0,它表明这切点在x轴的下方。所以椭圆必如图或所示,其长轴朝第二、四象限倾斜。现在再考虑过了时间△t以后的情况,这时Ey=Aycos(ω△t+δ)。由于δ在第三象限,在此象限内余弦函数是负的,其绝对值随角度的增加的增加而减小。这就是说,电矢量端点的位置由P点向上移,亦即运动是逆时针的(左旋)。可见,δ在第三象限时电矢量端点的运动属于图而不是所示的情况。
综合以上所述,我们将δ从-π到+π整个区间合成运动的变化情况作系列图于中,这便是我们在第二章第九节中已给过的图。应当注意,当Ax=Ay=A和δ=±π/2时,椭圆退化为圆。动画演示
3.2圆偏振光和椭圆偏振光的获得
自然界的大多数光源发出的是自然界,但有时也发出圆或椭圆偏振光,例如处在强磁场中的物质,电子作拉摩回旋运动,它们发出的电磁辐射就是圆或椭圆偏振的。这里所谓圆或椭圆偏振光的“获得”,是指利用偏振器件把自然光改造圆或椭圆偏振光。
获得一般的椭圆偏振光并不难,只需令自然光通过一个起偏器和一个波晶片即可。如图3-6所示,
由起偏器出射的线偏振光射器和一个波晶片即可。如图所示,由起偏听偏信器出射的线偏振光射到波晶片中去时,被分解成Eo和Ee两个振动,它们在晶体内传播速度不同,穿过晶片时产生一定附加的位相差△。射出晶片之后两光束速度恢复到一样,合成在一起一般得到椭圆偏振光。只有在一定条件下才成为圆偏振光或仍线振光,只有在一定条件下成为圆偏振光或仍为线偏振光。保证出射光是圆偏振的条件有二:
(1)Eo和Ee之间的位相差δ'=δλ+△=±π/2。这里δλ是入射到波晶片上线偏振光的电矢量在e,o两轴上投影时可能引起的位相差。例如图所示,当入射的线偏振光的振动在第一、三象限里δλ=0(图),在第二、四象限时里δλ=π(图)。△=(2π/λ)(ne-no)是波晶片本身引起的,它与波晶片的厚度d有关。要想使δ=±π/2,必须使△=±π/2,必须选用四分之一的波长片。
(2)Ee和Eo的振幅Ae=Ao。设入射的线偏振光的振幅为A,其振动方向与e轴的夹角为α,则Ae=Acosα,Ae=Asinα。要使Ae=Ao,必须α=450。
总之,令一束线偏振光通过一波晶片,一般说来我们得到一束椭圆偏振光;只有通过λ/4波片,而且λ/4片的光轴与入射光的振动面成450角时,我们才得到一束圆偏振光。