Соответственно этому обыкновенный свет применяется в металлографии для исследования изотропных объектов , или же в тех случаях (а их большинство), в которых данные об анизотропии не важны или не являются целью. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света, падающего на них, поэтому при их исследовании применяется поляризованный свет, обладающий свойством анизотропии .
В поляризованном свете имеют место колебания только в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света (рис.1, б). Визуально различить обыкновенный и поляризованный свет невозможно. Получение и анализ поляризованного света основан исключительно на его взаимодействии с веществом. Непременным условием при этом является анизотропия самого вещества. В микроскопии для получения и анализа поляризованного света используются две призмы Николя (общепринятый термин - просто «николи»). Николи изготавливаются из прозрачных кристаллов исландского шпата, обладающего свойством двойного лучепреломления. Поэтому николь пропускает колебания только одного направления. Схема получения поляризованного света представлена на рис. 2. Поскольку обыкновенный свет содержит колебания различных направлений, то первый николь всегда пропустит какую-то часть из них, в соответствии с направлением своей оптической оси. Если ориентация оптических осей николя 2 и николя 1 совпадают (николи параллельны, рис. 2,а), то николь 2 пропустит свет. Если ориентации оптических осей николей взаимно перпендикулярны (николи скрещены, рис. 2,б), то поверхность образца при этом будет восприниматься темной; николь 2 только пропускает эллиптически поляризованный свет. Подробно этот вопрос рассмотрен в .
Рисунок 2. Схема хода лучей при параллельных и скрещенных николях [ 1].
Николь 1 называется поляризатором, николь
2 - анализатором.
Метод наблюдения в поляризованном свете (поляризационная микроскопия) служит как для микроскопических исследований минералов, биологических объектов, так и для анализа структуры металлов и неметаллических материалов.
Традиционно в металлографии поляризованный свет применяют для изучения неметаллических включений . Поскольку определенная часть неметаллических включений оптически прозрачна, исследование основано на различии оптических свойств включения в различных направлениях, т.е. их оптической анизотропии
. Оптическая анизотропия проявляется при прохождении света внутри включения и при отражении света от его поверхности. Плоская поверхность и прозрачное включение по-разному взаимодействуют со световым потоком. Плоско поляризованный свет, отраженный от плоской поверхности, задерживается анализатором и поверхность выглядит темной. Часть света преломляется на внешней поверхности включения, проходит внутрь, отражается на поверхности включение-металл и выходит наружу, вновь испытывая преломление на внутренней поверхности . В результате свет перестает быть поляризованным. Поэтому при скрещенном положении анализатора и поляризатора видно светлое изображение включения на темном фоне. Цвет включения может изменяться в результате интерференции, что связано с анизотропными эффектами при отражении поляризованного света.
Используя поляризованный свет можно сделать выводы о форме прозрачных включений. Если включение имеет правильную круглую форму, то на его светлопольном (рис.3,а) и темнопольном изображениях появляются концентрические кольца, связанные с интерференцией лучей, отраженных от внутренней поверхности включения. В поляризованном свете при скрещенных николях наблюдается эффект темного креста
(рис. 3,б). Контраст концентрических колец и темного креста зависит от совершенства формы включения.
Рисунок 3. Шаровидные остеклованные включения металлургического шлака в светлом поле (а) и поляризованном свете (б).
Рисунок 4. Круглое включение шлака в силумине: а - светлое поле, б - темное поле, в,г - поляризованный свет (в -николи параллельны, г- николи скрещены)
Если включение не прозрачно, то концентрические кольца на светлопольном и темнопольном изображениях не проявляются. В поляризованном свете (рис.4,в-г) эффект темного креста отсутствует.
Специфические эффекты, возникающие в поляризованном свете, рассмотрены также в статье «Оптические эффекты». Это, в первую очередь, ямки травления и световые фигуры на дефектах поверхности.
Здесь остановимся на том, что можно получить в поляризованном свете для достаточно обычных в металловедении объектов. На рис.5 показано сравнение фотографий структуры серого чугуна, полученных различными методами контрастирования. Для данного материала наиболее информативно светлое поле, видно максимальное количество деталей изображения. В темном поле «светятся» все неплоскостные детали структуры - цементит и фосфид железа. Плоскости - феррит и матрица фосфидной эвтектики - темные. Включение графита - серое, немного видны его границы. Можно сказать, что в темном поле данное изображение, в основном, черно-белое. В поляризованном свете картина меняется. Цементит перлита «светится». При этом каждая колония имеет свой цветовой оттенок, в зависимости от ориентации. Цементит в составе фосфидной эвтектики должен был бы тоже «светиться», но при данном масштабе изображения этого не видно. Соединение Fe3P светится. Поскольку феррит имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, он не изменяет плоскость поляризации, поэтому в поляризованном свете феррит - темный.
Рисунок 5. Структура серого чугуна: а - светлое поле, б - темное поле, в - поляризованный свет.
На рис.6 показана структура чугуна, легированного ниобием. Фазовый состав - карбиды и аустенит. В поляризованном свете карбидная фаза окрашена в оттенки синего. Темная составляющая - аустенит в составе эвтектики.
Рисунок 6. Структура чугуна: а - светлое поле, б - поляризованный свет
1. А.Н.Червяков, С.А. Киселева, А.Г. Рыльникова. Металлографическое определение включений в стали. М.: Металлургия, 1962.
2. Е.В.Панченко и др. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965.
Основное свойство электромагнитных волн – поперечность колебаний векторов напряжённости электрического и магнитного полей по отношению к направлению распространения волны (рис. 11.1). Свет является электромагнитной волной. Но интерференция и дифракция не доказывают поперечность световых волн. Как же опытным путем можно доказать, что свет является поперечной волной?
Опыты с турмалином Рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и исключительно эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски). Кристалл турмалина имеет ось симметрии и называется одноосным кристаллом. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет. Cвет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства.
Новые свойства света, прошедшего через кристалл турмалина, обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина, параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то обнаружится удивительное явление - гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить?
Вывод 3. Свет является поперечной волной. Если бы свет не являлся поперечной волной, не происходило бы полное гашение света при прохождении через второй кристалл турмалина. Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Это имеет место, когда пластинки турмалина, как говорят, скрещены, т. е. их оси составляют угол 90°. Наконец, если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.
1. Поляризация света при отражении от границы двух диэлектриков Степень поляризации зависит от угла падения световых лучей, при некотором угле падения (угол Брюстера) отраженный луч полностью поляризуется.Хорошо поляризуют свет стекла, поверхность воды, асфальт. Металлы свет не поляризуют Домашнее задание: Выяснить, почему металлы не поляризуют свет?
2. Поляризация света при преломлении от границы двух диэлектриков Преломленный луч поляризуется только частично, но пропуская свет последовательно через несколько прозрачных плоскопараллельных пластин можно достичь значительной поляризации света.Для видимой области спектра пластины делают из оптического стекла очень малой толщины, чтобы уменьшить потери света путем поглощения. Полную поляризацию света дают 16 стеклянных пластин с показателем преломления n = 1,5.
3. Поляризация света с помощью поляроидов Некоторые кристаллы (исландский шпат,турмалин) пропускают световые колебания только определенного направления. Это направление внутри кристалла называется оптической осью кристалла Световые колебания, перпендикулярные этой оси полностью поглощаются.В настоящее время для поляризации света применяются поляроиды. Поляроиды представляют собой стеклянные пластинки, в которые вкраплены большое количество одинаково ориентированных кристалликов турмалина.
Поляризационные микроскопы В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризационными лучами, которые в свою очередь должны быть сгенерированы из обычного света с помощью специального прибора поляризатора.
Очень часто при отражении от снежного покрова, поверхности воды, мокрого снега, стекла образуется режущий глаза яркий свет,они называются « бликами «. Эти « блики « понижают качество фотографий, мешают рыбакам при рыбной ловле, ухудшают видимость водителям автомашин. Для подавления отраженного света применяется поляризационные линзы в очках, светофильтры в фотоаппаратах.
Солнцезащитные поляризационные очки Поляризационные очки защищают глаза от ослепляющих бликов, которые представляют собой отраженный от различных поверхностей свет. Световые лучи отражаются от дорожного полотна, лежащего на земле снега, от водной поверхности, от стен и крыш домов. Эти отраженные световые лучи образуют блики. Блики ухудшают качество зрения, мешают видеть детали, яркие блики ослепляют. Отражение тем сильнее, чем выше отражающая способность поверхности. Например, сильно отражаются солнечные лучи от мокрого дорожного полотна, особенно когда солнце стоит низко над горизонтом. Ослепление водителя в этих ситуациях увеличивает риск возникновения аварийной ситуации на дороге. Солнцезащитные поляризационные очки обладают способностью блокировать отраженные световые лучи и таким образом улучшают качество зрение, повышают контраст изображения, увеличивают зрительный комфорт в целом. Устройство поляризационных очков В поляризационных очках установлены специальные поляризационные очковые линзы, обладающие способностью блокировать отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет. Поляризационные линзы обычно представляют собой многослойную конструкцию, внутри которой находится прозрачная поляризационная пленка. Поляризационная пленка установлена в линзы так, что она пропускает свет, имеющий только вертикальную поляризацию. Световые лучи, отраженные от горизонтальных поверхностей (заснеженного поля, водной поверхности и др.), имеют, наоборот, горизонтальную поляризацию и поэтому не проходят через поляризационные линзы. В то же время лучи, исходящие от других объектов, неполяризованные и поэтому проходят через поляризационные линзы и формируют четкое изображение на сетчатке глаза.
Технологии производства очков можно свести к двум. В первом случае кристаллы поляризующего вещества наносят на пленку, которую вклеивают между двух пластиковых пластин, образующих линзу очков. Эта технология наиболее дешевая. Вторая технология ссостоит в размещении кристаллов поляризующего вещества непосредственно в стекле линзы очков. Эта технология значительно дороже по стоимости, но и качество изготовления таких очков существенно выше. Чем дешевле очки, тем тоньше в них линзы и тоньше слой поляризующего вещества. Прямое следствие этого - плохой уровень поляризации. Хорошие очки стоят довольно дорого, но всегда оправдывают потраченные на них средства. Если говорить о ценах, то вполне приличные очки стоят от 50 до 100 американских долларов.
Выбор цвета очков Серый хорошо подходит для яркого солнечного дня. Цвета передаются практически без искажений, позволяя видеть вещи с их натуральными оттенками. Если вы хотите найти компромисс между хорошим контрастом и натуральными оттенкам, выбирайте коричневый. Оранжевый (медный) цвет практически универсален, но наиболее хорош в облачную погоду. Наибольшее количество известных рыбаков, для которых успех рыбалки во многом ссостоит в способности увидеть рыбу, пользуются именно такими линзами Если вы ловите рыбу ранним утром и ближе к вечеру, то желтый цвет линз наиболее предпочтителен так как позволяет пользоваться ими в условиях исключительно низкой освещенности. Только не стоит надевать такие очки в солнечную погоду потому, так как глазам требуется более серьезная защита.
Поляризационные светофильтры Невозможно представить современную фотографию без поляризационных светофильтров. Он представляет собой пластинку из специального материала, укрепленную между двумя плоскими стеклами и поляризующую свет. Вся это система монтируется в специальной вращающейся оправе, на которой наносится метка, показывающая положение плоскости поляризации. Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии резкость и чистоту цвета, помогает устранить блики. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета
Устройство ЖК-монитора. C состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.Молекулы в отсутствие электрического напряжения между электродами выстраиваются в винтовую структуру, при этом до второго фильтра плоскость поляризации поворачивается на 90 ºи свет через вертикальный фильтр проходит уже без потерь. Если же к электродам приложено напряжение, молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение между электродами, можно управлять световым потоком, проходящим через монитор. При этом светятся не экраны телевизоров, а тонкий слой жидкого кристалла.
Интересные факты, связанные с поляризацией света Солнечный свет в определенном направлении от Солнца является поляризованным. Поляризация солнечных лучей происходит в результате отражения от молекул воздуха и преломления на капельках воды Поэтому с помощью поляроида можно полностью закрыть радугу Многие насекомые в отли- чие от человека видят поляризованный свет. Пчелы и муравьи хорошо ориентируются даже тогда, когда Солнце скрыто за облаками. В глазе человека молекулы светочувстви- тельного пигмента родоп- сина расположены беспо- рядочно, а в глазе насеко- те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позво – ляет им сильнее реагиро- вать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул.
Поворачивая кристалл и следя за изменением проходящего через него рассеянного атмосферой солнечного света, викинги могли на основании таких наблюдений определить направление на Солнце, даже если оно находится ниже линии горизонта или скрыто облаками. Корабль викингов На Руси их называли варягами,они считались безжалостными воинами, они без компаса прекрасно ориентировались по Солнцу и звездам.
Применение поляризованного света необычайно широко.
1. В дефектоскопии, когда конструкторы и архитекторы, разрабатывая проекты новых машин и сооружений и рассчитывая отдельные узлы, должны знать, как распределится нагрузка в данном узле, в каких частях она будет наибольшей. С этой целью изготовляется точная модель детали из целлулоида и просматривается в поляризованном свете. Подвергая модель различным нагрузкам, мы ясно увидим на целлулоиде все узлы напряжений и легко можем определить, где нужно усилить конструкцию или, наоборот, облегчить.
2. Геологи, исследуя в поляризованном свете различные минералы и изделия, могут безошибочно отличить природные от искусственных, поддельные от настоящих.
3. Фотографы, выполняя репродукции с картин в застекленных рамах, могут легко уничтожить мешающие им блики от стекла, надевая на объектив поляризационный фильтр.
4. Водителям автомашин в ночное время очень мешают вести машину слепящие фары встречных машин. Надев поляризационные очки, водитель избавляется от этих помех.
5. Поляризационные очки используют для разделения картинок предназначенных для левого и правого глаза в стереокино (направление поляризации линзы левого и правого глаза ортогонально).
6. Поляризационный бинокль помогает капитанам кораблей вести корабль по правильному курсу, уничтожая при наблюдении мешающие световые блики на морских волнах.
7. Применяя поляризованный свет в стекольной промышленности, легко проверить правильность и равномерность закалки стекла.
8. Поляризованный свет используют в быстродействующих затворах (выдержка <1 мс) благодаря магнитооптическому эффекту Фарадея.
9. Поляризованный свет используют также в жидкокристаллических дисплеях, принцип работы которого основан на вращении плоскости поляризации и изменении интенсивности световой волны в соответствии с законом Малюса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ландсберг С.Г. Оптика. М.: Наука, 1976.
2. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.
3. Королев Ф.А. Курс физики: Оптика, атомная и ядерная физика. М.: Просвещение, 1974.
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2002.
5. Зисман Г.А. и Тодес О.М. Курс общей физика: В 3-х т. М.: Наука, 1972, т.3.
Регулировка освещения и гашение бликов. Одно из распространенных применений поляризованного света - регулировка интенсивности освещения. Пара поляризаторов позволяет плавно изменять интенсивность освещения в огромных пределах - до 100 000 раз.Поляризованный свет часто используется для гашения света, зеркально отраженного от гладких диэлектрических поверхностей. На этом принципе устроены, например, поляроидные солнечные очки. Когда естественный неполяризованный свет падает на поверхность водоема, часть его зеркально отражается и при этом поляризуется. Этот отраженный свет мешает видеть предметы, расположенные под водой. Если смотреть на воду через соответствующим образом ориентированный поляризатор, то большая часть зеркально отраженного света будет поглощаться и видимость подводных объектов значительно улучшится. При наблюдении через такие очки «шум» - свет, отраженный от поверхности, - уменьшается в 5-20 раз, а «сигнал» - свет от подводных объектов - уменьшается всего в 2-4 раза. Таким образом, отношение сигнала к «шуму» значительно возрастает.
Поляризационная микроскопия. В ряде исследований широко применяется поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп снабжен двумя поляризационными призмами или двумя поляроидами. Один из них - поляризатор - расположен перед конденсором, а второй - анализатор - за объективом. В последние годы в поляризационные микроскопы вводят специальные поляризационные компенсаторы, значительно повышающие чувствительность и контраст. С помощью микроскопов с компенсаторами были обнаружены и сфотографированы такие мелкие и неконтрастные объекты, как внутриклеточные двоякопреломляющие структуры и детали строения ядер клетки, которые невозможно обнаружить другим способом.
Усиление контраста. Поляризационные фильтры часто используют для повышения контраста прозрачных и малоконтрастных элементов. Так, например, их применяют при фотосъемке облачного неба с целью усиления контраста между облаками и чистым небом. Свет, рассеянный облаками, почти совсем неполяризован, свет же ясного голубого неба поляризован значительно. Применение поляризационных фильтров является самым эффективным средством усиления контраста.
Кристаллографические исследования и фотоупругий анализ. В кристаллографии поляризационные исследования проводят особенно часто. Многие кристаллы и ориентированные полимерные материалы обладают значительным двойным лучепреломлением и дихроизмом. Изучая эти характеристики и определяя направление соответствующих осей, можно проводить идентификацию материалов, а также получать данные о химической структуре новых веществ.
Особое значение в технике имеет фотоупругий анализ . Это метод, позволяющий по сдвигу фаз судить о механических напряжениях. Для проведения фотоупругого анализа исследуемую деталь изготовляют из прозрачного материала с высоким коэффициентом фотоупругости. Основная часть установки для фотоанализа - полярископ, состоящий из осветительной системы, поляризатора, анализатора и окуляра. Если плоскую стеклянную полосу подвергнуть растяжению, то стекло окажется несколько деформированным, в нем возникнут механические напряжения. Вследствие этого оно станет двоякопреломляющим и будет сдвигать фазу световой волны. Измеряя сдвиг фазы, можно определить величину напряжения.
Метод фотоупругого анализа может быть применен и в офтальмологии, так как в оболочках глаза обнаружены фотоупругие явления.
m н m г: гшшггптг
Application of polarized light in the metallographic annalysis of metals and alloys is considered, its application for the analysis of ninmetallic inclusions is shown. Examples of application of differential and interferential contrast for the annalysis of structure of metals in reflected light are shown.
А. Г. АНИСОВИч, ГНу «Физико-технический институт НАНБеларуси»
УДК 620.186.1 + 535-4
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА В АНАЛИЗЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Метод наблюдения в поляризованном свете (поляризационная микроскопия) служит как для микроскопических исследований минералов, биологических объектов, так и для исследования структуры металлов и неметаллических материалов. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в разных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно оси объектива и плоскости поляризации света, падающего на них. Свет, излучаемый осветителем, проходит через поляризатор; сообщенная ему при этом поляризация меняется при последующем отражении от образца и эти изменения изучаются с помощью анализатора и различных оптических компенсаторов. Полихроматический поляризованный свет результативен в металлографии для обнаружения и изуче-
ния прозрачных объектов, поэтому с использованием белого поляризованного света решается ограниченное количество задач. Традиционно в металлографии с применением поляризованного света изучают неметаллические включения . Поскольку определенная часть неметаллических включений оптически прозрачна, исследование основано на различии оптических свойств включения в разных направлениях, т. е. их оптической анизотропии . Оптическая анизотропия проявляется при прохождении света внутри включения при отражении света от его поверхности. Плоская поверхность и прозрачное включение по-разному взаимодействуют со световым потоком. Плоско поляризованный свет, отраженный от плоской поверхности, задерживается анализатором и поверхность выглядит темной. Часть света преломляется
Рис. 1. Шаровидные прозрачные включения шлаков в светлом (а) и темном ю мш | (б) полях и поляризованном свете (в)
на внешней поверхности включения, проходит внутрь и, отражаясь на поверхности включение-металл, выходит наружу, вновь испытывая преломление на внутренней поверхности . В результате свет перестает быть поляризованным. Поэтому при скрещенном положении анализатора и поляризатора видно светлое изображение включения на темном фоне. Цвет включения может изменяться в результате интерференции , что связано с анизотропными эффектами при отражении поляризованного света.
Используя поляризованный свет, можно сделать выводы о форме прозрачных включений. Если включение имеет правильную круглую форму, то на изображении структуры как в светлом, так и в темном поле появляются концентрические кольца (рис. 1, а, б), связанные с интерференцией лучей, отраженных от внутренней поверхности включения . В некоторых случаях можно наблюдать интерференционную окраску колец, формирование которой зависит от угла наклона лучей. В поляризованном свете при скрещенных николях наблюдается эффект темного креста (рис. 1, в). Контраст концентрических колец и темного креста зависит от совершенства формы включения . Явление «темного креста» связано с оптическими явлениями в сходящемся поляризованном свете . Ветви темного креста расширяются к концам
ГГТГ^г: [Г.ГТГ.ПГ^ШУ, /1Л7
3 (67), 2012 / ■ " #
и параллельны главным сечениям николей. Так как оптическая ось включения совпадает с оптической осью системы микроскопа, центр включения не освещен. В соответствии с оптический крест дают в поляризованном свете, в частности, глобулярные прозрачные включения силикатов.
Если включение непрозрачно (рис. 2), то концентрические кольца на светло- и темнопольном изображениях не формируются. Круговой контраст вокруг включения в светлом поле (рис. 2, а) не принадлежит самому включению и может быть связан с напряжениями в сплаве. В темном поле (рис. 2, б) светятся края включения за счет отражения света от неплоскостных участков . В поляризованном свете (рис. 2, в, г) эффект темного креста отсутствует.
Прозрачное включение неправильной формы «светится» в темном поле (рис. 3, а, б) и поляризованном свете (рис. 3, в) без специфических оптических эффектов.
Изображения, приведенные на рис. 1-3, имеют хорошую контрастность. Тем не менее, при использовании светлопольного освещения не всегда возможно получить высококонтрастное изображение. На рис. 4 представлены фотографии прозрачной частицы оксида алюминия . В светлом поле (рис. 4, а) изображение имеет низкую контрастность и четкость; наведение на резкость осущест-
Рис. 2. Круглое непрозрачное включение шлака в силумине: а - светлое поле; б - темное поле; в, г - поляризованный свет
(в - николи параллельны; г - николи скрещены)
ми г: гшшгггта
1ИГ К£. 11
* - 4 ■ ^ ■■■■в;
Рис. 3. Остеклованное включение в легированном силумине: а - светлое поле; б - темное поле; в - поляризованный свет
влялось на поверхность частицы. В темном поле виден рельеф поверхности (рис. 4, б). Для повышения контрастности изображения можно использовать специальные методы. Возможно изменять фазу отраженных лучей . Человеческий глаз не воспринимает разности фаз, но способен различить изменение интенсивности и длины волны (цвета). Поэтому изменение фазы переводят в изменение интенсивности (или цвета) с использованием метода фазового контраста, что делает видимыми особенности структуры . Получить цвет-
ное изображение структуры возможно при использовании поляризованного света и специальных устройств. При этом следует помнить, что получаемые цвета являются условными и не связаны с физическими свойствами фаз. К таким методам относится метод дифференциально-интерференционного контраста. На рис. 4, в показано изображение включения, полученное с использованием дифференциально-интерференционного контраста. Его применение повысило четкость изображения и глубину резкости. Наводка резкости на поверх-
ШРис. 4. Частицы оксида алюминия в сплаве АК21М2,5Н2,5 в светлом поле (а), темном поле (б), с применением дифференциально-интерференционного контраста (в)
Рис. 5. Призма Волластона (а) и схема расщепления светового пучка (б)
ность включения позволяет видеть также избыточный и эвтектический кремний.
Метод дифференциально-интерференционного контраста (ДИК) представляет собой усовершенствованный метод поляризационного контраста и может применяться для визуализации минимальных различий по высоте или неровностей на поверхностях . При этом используется двулуче-преломляющая призма Номарского или Волласто-на (рис. 5, а), которая расщепляет поляризованный пучок света на его пути к образцу на два частичных пучка (рис. 5, б).
Эта призма состоит из двух склеенных между собою прямоугольных призм, изготовленных из кристаллов, обладающих двойным лучепреломлением (исландский шпат, природный кварц). Призмы склеены таким образом, чтобы их оптические оси были взаимно перпендикулярны. Луч света, падающий на боковую грань первой призмы, разделяется на два плоско поляризованных луча -обыкновенный и необыкновенный, распространяющихся в таком кристалле с различными скоростями. Попадая во вторую призму под другим углом к направлению оптической оси, они преломляются у поверхности раздела двух склеенных призм под разными углами (при этом обыкновенный луч становится необыкновенным и наоборот). Выходя из второй призмы наружу, каждый из двух лучей снова преломляется, почти симметрично отклоняясь один от другого в разные стороны от направления луча, входящего в первую призму. Визуально этот принцип выражается в том, что поверхности образца освещаются поляризованным монохроматическим светом, т. е. имеющим определенную длину волны (= окраску синим или красным, или зеленым и т. д.). Если поверхность образца совершенно плоская, то она окрашивается одинаково. При горизонтальном перемещении призмы цвет плоской поверхности будет изменяться в соответствии со схемой, приведенной на рис. 6 (цветная шкала приведена здесь для наглядности и не соответствует
шкале интерференционных цветов). При горизонтальном перемещении призмы поверхность сначала имеет, например, желтый цвет, потом зеленый и т. д.
Однако если имеется небольшая ступень (перепад высоты) на поверхности образца, то один из этих двух частичных лучей должен пройти путь на 25к (к - высота перепада, 5 - разность хода лучей) длиннее и приобрести разность хода. Поэтому участки образца, лежащие выше или ниже основной плоскости его поверхности, будут иметь свой собственный цвет. Это проиллюстрировано на рис. 7. При светлопольном освещении частицы карбида кремния, расположенные на включении избыточного кремния, имеют вид темных пятен (рис. 7, а). При использовании дифференциально-интерференционного контраста (рис. 7, б) частицы SiC имеют свой цвет за счет того, что расположены над плоскостью шлифа .
Если поверхность изогнутая, то можно видеть одновременно несколько цветов или весь спектр. Для иллюстрации была сфотографирована плоская поверхность, в данном случае объект-микрометр (рис. 8, а). После этого, не меняя настроек оптической системы микроскопа, сфотографирована поверхность стального шарика (рис. 8, б). Верхняя точка сферической поверхности соответствует белому пятну; цвет, приблизительно соответствую-
Рис. 6. Схема окрашивания поверхности образца
1ЕП 1ПГГТТгП г: гл^гтллтгггггт
I и и / 3 (67), 2012-
Рис. 7. Частицы карбида кремния в кристаллах избыточного кремния заэвтектического силумина в светлом поле (а);
ДИК - контраст (б)
Рис. 8. Фрагмент шкалы объект-микрометра (а) и изображение криволинейной поверхности в ДИК (б)
щий цвету плоскости рис. 8, а, указан стрелкой. Цвет полос изменяется в соответствии с кривизной сферической поверхности. Последовательность цветов соответствует шкале интерференционных цветов при интерференции на клиновидной пластинке . Практически этот метод является «об-
ратным» тому, который применяется в кристаллографии для определения толщины прозрачных кристаллов .
При изучении объектов в отраженном свете с использованием дифференциально-интерференционных устройств наблюдается повышение кон-
траста отдельных участков объекта, с близкими по значениям коэффициентами отражения, что дает дополнительную информацию о структуре объекта. При этом объект кажется рельефным. Метод позволяет анализировать образец с точностью измерения высоты неровности (толщины) в наноме-тровом диапазоне . Пример того, как может из-
ггм^гг/^штгггг: /1К1
3 (67), 2012 I IUI
меняться окраска образца при перемещении призмы, показан на рис. 9. Здесь представлено соединение разнородных материалов сваркой. Разные половины образца имеют разные свойства и полируются неравномерно. Материал по разные стороны от шва имеет некоторое различие по высоте и соответственно окрашивается в различные цвета.
Литература
1. Ч е р в я к о в А. Н., К и с е л е в а С. А., Р ы л ь н и к о в а А. Г. Металлографическое определение включений в стали. М.: Гос. науч.-техн. изд-во литературы по черной и цветной металлургии, 1962.
2. П а н ч е н к о Е. В., С к а к о в Ю. А., К р и м е р Б. И. и др. Лаборатория металлографии / Под ред. Б. Г. Лившица. М.: Металлургия, 1965.
3. Т а т а р с к и й В. Б. Кристаллооптика и эмерсионный метод. М.: Недра, 1965.
4. Л е в и н Е. Е. Микроскопическое исследование металлов. М.; Л.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроительной литературы, 1951.
5. А н и с о в и ч А. Г., Р у м я н ц е в а И. Н. Искусство металлографии: возможности использования темнопольного изображения для анализа структуры металлов: Сб. материалов 4-й Междунар. науч.-техн. конф. «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». Минск, 19-21 октября 2009 г. Кн. 1. С. 7-12.
6. А н и с о в и ч А. Г., Р у м я н ц е в а И. Н. Применение метода дифференциального интерференционного контраста в металловедении: Сб. материалов 3-й Междунар. науч.-техн. конф. «Современные методы и технологии создания и обработки материалов». Минск, 15-17 октября 2008 г. Т. 1. С. 130-135.
7. К л а р к Э. Р., Э б е р х а р д т К. Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера, 2007.
8. Е г о р о в а О. В. Техническая микроскопия. С микроскопом на «ты». М.: Техносфера, 2007.
9. Призмы Волластона// ООО Оптикс Провайдер [Электронный ресурс]. 2012-Режим доступа: http://opticsprovider.ru.
10. Призма Волластона // ООО «Элан» [Электронный ресурс]. 2012-Режим доступа: http:// www.elan-optics.com.
11. Ч е т в е р и к о в С. Д. Методика кристаллооптических исследований шлифов. М.: Гос. изд-во геолог. литературы, 1949 .
