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显微镜课堂:偏光介绍

来源:网络 更新时间:2016-06-28

偏光显微镜检查通常应用于材料科学和地质学领域,从而根据折射率和色彩来鉴别矿物质。在生物学领域,通常运用偏光显微镜来鉴别结晶体等双折射结构,或实现上述结构体,以及植物细胞膜质和淀粉粒成像。

双折射性是偏光显微镜检查的关键所在

双折射性物体具有通过折射性将单一光射线分割成两条光射线的功能属性。双折射物体包含具有高度有序的分子结构的材料,例如,氮化硼或方解石晶体。细胞膜质或淀粉等生物试样也具有双折射性。在显微镜检查中,可将双折射性与线性偏振光结合,获得两条光射线干涉,从而产生类似光环的色彩效果,照亮结构体。

偏光显微镜的校准和光路

一台正常的光学显微镜需要至少两个额外部件以进行偏光显微镜检查。针对双折射性的检测,必须使用线性偏光进行照明。因此,必须在显微镜的光路中插入两个偏振滤光片。第一个偏振滤光片将产生偏振光,用于照亮试样,而第二个偏振滤光片,即检偏镜,则将受测光线限定为折射光。

两个偏振滤光片必须互为 90°,以获得所谓的“暗位”。将偏振滤光片安装到位后,将不会有光线穿过照相机或目镜,图像将变暗。暗位构成是偏光显微镜检查的重要步骤,它能够确保仅试样所在偏光面发生变化时,可以看见。

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图 1:偏光显微镜原理:由偏光镜 1 进行偏光处理的非偏光。光线穿过偏光镜 1 之后,将通过聚光镜实现对试样的聚焦。如果试样具有双折射性或含有双折射结构,部分光的偏光面将呈 90°扭曲(在图中用红线表示)。试样图像通过物镜放大,并达到偏光镜 2。如果偏光镜 2 相对偏光镜 1 呈 90°(称为“暗位”),那么,仅穿过双折射材料的光线可以穿过上述区域,且该现象用户能够观察到。因此,仅偏光结构是可见的。

偏光镜和检偏镜

当光线穿过第一个偏振滤光片时,将会生成线性偏振光。如果线性偏振光穿过适当偏光面上的双折射材料,其将被折射,并分割成两条光射线,部分光射线的偏光面将被转动成 90°。如果经过折射的光射线已经适当校准(即与第一个偏振滤光片呈 90°),则其随后将穿过第二个偏光镜(检偏镜)。因此,仅双折射材料能够在偏光显微镜中生成图像。

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图 2:太阳光或灯泡产生的光线属于非偏光。这就意味着,电磁波将在所有方向上振荡。如果非偏振光穿过偏光镜 1,同时产生明确的偏光,在这种情况下,属于垂直偏光。如果此偏光随后到达转动 90°后的偏光镜 2,那么,将不会有光线穿过偏光镜 2。因此,两个偏光镜彼此转动 90°后将处于“暗位”上,因为从第二个偏光镜后不会再看到任何光线。

受测的双折射材料的偏光轴与第一个偏光镜生成的偏光轴相同,这一点非常重要。因此,很多偏光显微镜配备转动载物台,用于确保物体的偏光面能够轻松与第一个偏振滤光片的偏光面对齐。在偏光显微镜检查中,有很多适用于特殊应用领域的配件。

勃氏镜用于晶体模式下进行锥光镜观察,其将在物镜后孔中聚焦。此外,补偿镜的光减速板对双折射试样的定量分析非常有用。

偏光显微镜应用领域

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图 3:波罗的海琥珀中的飞虫内含物。尽管琥珀是一种非晶体物质,但是理论上来说,它具有光学各向同性,因内应变和包裹物引起的应变而产生的树脂流状构造,通过偏振光即可看见。运用偏振光和一级红色补偿镜会使金琥珀色的颜色强度增加。暗场和入射光(玻璃纤维)照明系统组合,正交偏光镜,一级红色补偿镜,HDRI 色调映射。瑞士宝石学协会,位于瑞士伯尔尼,Courtesy of Michael Hügi。

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图 4:钴,冷轧,Beraha 腐蚀剂,偏光。微观结构形态检测在材料科学与失效分析领域具有决定性作用。通过对显微镜下的腐蚀试样进行光学偏振处理,常常能够增强色彩相衬度,并促进特定微观结构的构成。德国普福尔茨海姆应用技术大学,Courtesy of Ursula Christian。

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图 5:酒石酸,偏光

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