相衬显微分析的基本原理及其在金相分析中的应用

相衬显微镜是利用特殊相板的作用，使不同位相的反射光发生干涉或迭加，借以鉴别金相组织，故又常称为“相差显微镜”。试样表面高度差在十埃到几百埃范围均能清楚地被“相衬显微镜”所鉴别，近二十年来国外生产的大型金相显微镜大都备有相衬装置，以供鉴别某些组织时使用。

(一)相衬方法的基本原理

众所周知，光是一种电磁波，而且是横波，即电场强度矢量藿和磁场强度失量膏的振动方向与其传播方向考互相正交(见图1因为光对眼睛或感光仪器(照相底片)起作用的主要是电场强度峦矢量，故峦常称为光矢量。

图1

1．光矢量的表示法

振动在介质中的传播，简称为波动，激发波动的振动系统称为波源，机械振动在弹性媒质中的传播，称为机械波，变化的电磁场在空间的传播，称为电磁波，电磁波具有不同的波长和频率，可见光在整个电磁波谱中只占很小的部分(波长为4000～7600a)，人眼所看到的不同颜色，实际上只是不同波长的电磁波对感官的作用，通常说的白光是各种颜色的混合，波长最长的可见光为红光，λ=6300~7600A，波长最短的可见光为紫光，λ=4000~4300A。

为了描写光波中任意一点光振动的谐振特性，常用余弦函数(解析法)，位移时间曲线或旋转矢量法(图解法)表示。为了直观领会光振动表达式中Eo、w、φo。三个物理量的意义，并为以后振动迭加提供简捷方法，现介绍光矢量的表示法(图2)：

图2

由原点0作一矢量面，矢量长度等于振幅Eo，这个矢量称为面，以数值等于圆频率叫的角速度绕0点作逆时针匀速转动，t=0时，矢量砀与0x轴夹角为够。，称为光振动的初位相，在f时刻，葫与陇轴夹角等于该时刻光振动的位相(亦称周相)，这时矢量葫的末端在x轴上投影P点的坐标为砀旋转过程中，M点作匀速率圆周运动，通常把这个圆称为参考圆，0面旋转一周所需要的时间T与光振动周期相同，可见光矢量图能简便描述光振动特性(见图3)。

图3

当存在两个振幅相同，频率相同，初位相不同的光振动时，由光矢量图(4)可见：E2的初相φ20，两光矢量的位相差△φ=φ20-φ10。

图4

2   光程

研究光的波动性时，“光程”是一个重要概念，它的重要性表现在光程与位相之间有着简单的比例关系：

设有一光波于光线Ox上任意两点PP之间的位相差

图5 光程

式中负号表示P，的光振动位相落后P点，令l=x，-x，又因为λ=λ0/n（其中λ0为真空中的波长），则

若光线经过几种不同介质时，有

我们把称为光程差。即

显然光程差为波长整数倍时的一些点，位相差亦为2π的整数倍（即同位相点），光程差为半波长的奇数倍时，位相差为2π的奇数倍（即反位相点）。

两列振动方向相同，振动频率相同，位相差恒定的单色光，传播到空间任意一点相遇时，该点就同时参与两个振动，迭加的结果使空间某些地方振动始终加强，而另一些地方振动始终减弱，这种现象称为光的干涉现象，由于光的干涉结果形成明暗衬度的图象。

图6

式中E0为合成光矢量振幅，"为合成光矢量初相，由余弦定律可得：

显然干涉满足极大的条件是：

图7

位相差△φ=φ20-φ10=±2kπ(k=0，1，2⋯）加强，即光程差△L=±kλ（k=0，1，2⋯）加强

满足极小的条件是：△φ=±（2k+1）π（k=0，1，2⋯）减弱，即光程差△L=±kλ（k=0，1，2⋯）减弱

两光波的位相差介于上述两种情况之间，则光强度亦介于上述两种情况之间。

4  相衬原理

为了说明相衬理论，首先从分析反射光着手，（见图8）：

图8

设金相样品组织中两相的反射系数相等，两相高度差△d极小，则光线在高低两平面上反射光的强度也相等，只是低凹平面反射光P比高凸平面反射光S多走了△φ的光程，因此P比S滞后位相，见矢量图8。由矢量迭加P=S+D，其中S与高凸相处反射光的位相、振幅相同，称为“直接反射光”（或简称直射光），D称为衍射光，其方向和振幅大小取决于P与S的位相差，由于P与S没有振幅差，仅有微小的位相差，所以一般金相显微镜是无法鉴别的，要使在显微镜下清楚地鉴别二相组织，也就要使二相反射光P与S显示出较大的差别，这就必需借助衍射光的作用。

由光矢量图8（b）可以看出，由于P 与S之间位相差极小，这时衍射光P近似滞后S位相，(相当于光程差λ/4)，若将P也设法“移相”，使其位相提前S(光程提前P),即S；或滞后位相P(光程滞后")，即S,。使得直射光P与衍射光S的位相差为零或π，迭加的结果，可以预期P有明显的增强或减弱，这样就能显示出S与P的差别，有利于S、P两相的鉴别。但由于直射光P的振幅远大于衍射光S的振幅，即使改变了π的位相，迭加的结果仍然不很明显，为此尚需要将直射光的振幅降低，并使它接近衍射光的强度，以期望迭加后能获得明显的强度差别，因此使直射光移相及降低振幅是相衬显微镜设计时的基本出发点。

（二）相