偏光显微镜

偏光显微镜PolarizingOpticalMicroscopy偏光显微镜OM成像原理POM构造POM应用实例球晶形态观察球晶生长测定导言在材料的各种仪器分析方法中，最简单的是光学显微镜法（OpticalMicroscopy）。显微镜价格低，结构分析比较直观，因而被广泛应用。可用于材料结构研究的显微镜有偏光显微镜（PolarizingOpticalMicroscope,POM）、相差显微镜（PhaseContrastMicroscope）等。凸透镜成像[PolymerMicroscopy,3rdEdition,p.30]光学显微镜成像原理物体经过物镜形成一个放大的实像，该实像经过目镜和人眼透镜组在视网膜上形成实像；视网膜和大脑会把该实像感知为距离人眼25cm处放大的虚像。[FundamentalsofLightMicroscopyandElectronicImaging,p.3]Airy斑由于光的衍射效应，使得即使是物体为一个理想的点，其投射产生的像实际上也为一个衍射斑（Airy斑）。Airy斑的强度约84%集中在中心亮斑上，一般肉眼只能看到中心亮斑，因此常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。[ElectronMicroscopyandAnalysis,3rdEdition,p.11]Airy斑及显微分辨限[FundamentalsofLightMicroscopyandElectronicImaging,p.88]当两个点接近到一定程度时，二者投射产生的Airy斑会重叠而分辨不开，即显微技术存在分辨极限。Airy斑及显微分辨限通常把两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点间距定义为分辨极限。[ElectronMicroscopyandAnalysis,3rdEdition,p.11]光学显微镜的分辨率当两个Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面上相应两个物点的间距即显微分辨率（也称分辨本领）NA为物镜的数值孔径，代表了物镜收集光线的能力。对于光学透镜，NA最大时，显微镜的分辨率NAd/61.02/d光学显微镜的应用光学显微镜的极限分辨率约为0.2m，材料的结构剖析的很多内容落在该尺度范围内，例如聚合物的结晶形态、结晶形成过程和取向、共混物或（嵌段、接枝）共聚物的区域结构、复合材料的多相结构以及聚合物液晶态的织构等。POM构造光的偏振及偏振片[FundamentalsofLightMicroscopyandElectronicImaging,p.120]POM原理光线从中通过呈光学各向同性的聚合物熔融态或无定形态时不改变偏振方向，因此，用偏光显微镜观察时，视野是全暗的。光线通过呈光学各向异性的聚合物结晶态或取向态时会分解成振动方向相互垂直的两束光，因此，用偏光显微镜观察时，会呈现特征的视野。特征视野的数学解释P-P为起偏振动方向，A-A为检偏振动方向。N-N、M-M是晶体内某切面内的两个振动方向。设N-N与P-P的夹角为。特征视野的数学解释进入起偏片后的平面偏振光的振幅为OB，光继续射到晶体上，由于M-M、N-N与P-P都不一致，因而要将矢量分解到这两个振动面上，N方向和M方向的光矢量分别为OD和OE。特征视野的数学解释自晶体透出的平面偏振光继续射到检偏片上，由于A-A与M-M、N-N也不一致，故将再次将每一平面偏振光一分为二，最后在A-A面上的光为方向相反、振幅相同的OG、OF。特征视野的数学解释最终透过检偏片的合成波为由于这两束光速度不等，会存在相位差，那么透过检偏片的合成波为cossinOEODOGOFysinsinsincossincostLOBOEtLOBOD2cos2sin2sintLy特征视野的数学解释则透过检偏片的合成波为由于光的强度与振幅的平方成正比，所以合成光的强度为2cos2sin2sintLy2cos2sin2sin2222tLIPOM应用实例之球晶观察当=0o、90o、180o和270o时，sin2为0，这几个角度没有光线通过；当为45o的奇数倍时，sin2有极大值，因而视野最亮。于是，球晶在正交偏光显微镜下呈现特有的消光十字图像。[AnIntroductiontoPolymerPhysics,p.134]球晶晶片扭转及消光同心环[OrganicChemistryandPhysicalChemistryofPolymers,p.130][高分子物理(第三版),p.156]POM应用实例之球晶观察线形聚乙烯熔体冷却形成的球晶Ziegler–Natta催化剂合成的等规聚丙烯等温结晶形成的球晶[MolecularCharacterizationandAnalysisofPolymers,P.274]POM应用实例之球晶生长测定在一定温度下，球晶的生长是等速的，用偏光显微镜可以进行等温结晶动力学的研究，方法是测定球晶半径随时间变化的关系。[ThePhysicsofPolymers,3rdEdition,p.167]