顯微鏡課堂:偏光介紹
顯微鏡課堂:偏光介紹
偏光顯微鏡檢查通常應用于材料科學和地質學領域,從而根據折射率和色彩來鑒別礦物質。在生物學領域,通常運用偏光顯微鏡來鑒別結晶體等雙折射結構,或實現上述結構體,以及植物細胞膜質和淀粉粒成像。
雙折射性是偏光顯微鏡檢查的關鍵所在
雙折射性物體具有通過折射性將單一光射線分割成兩條光射線的功能屬性。雙折射物體包含具有高度有序的分子結構的材料,例如,氮化硼或方解石晶體。細胞膜質或淀粉等生物試樣也具有雙折射性。在顯微鏡檢查中,可將雙折射性與線性偏振光結合,獲得兩條光射線干涉,從而產生類似光環的色彩效果,照亮結構體。
偏光顯微鏡的校準和光路
一臺正常的光學顯微鏡需要至少兩個額外部件以進行偏光顯微鏡檢查。針對雙折射性的檢測,必須使用線性偏光進行照明。因此,必須在顯微鏡的光路中插入兩個偏振濾光片。第一個偏振濾光片將產生偏振光,用于照亮試樣,而第二個偏振濾光片,即檢偏鏡,則將受測光線限定為折射光。
兩個偏振濾光片必須互為 90°,以獲得所謂的“暗位”。將偏振濾光片安裝到位后,將不會有光線穿過照相機或目鏡,圖像將變暗。暗位構成是偏光顯微鏡檢查的重要步驟,它能夠確保僅試樣所在偏光面發生變化時,可以看見。
圖 1:偏光顯微鏡原理:由偏光鏡 1 進行偏光處理的非偏光。光線穿過偏光鏡 1 之后,將通過聚光鏡實現對試樣的聚焦。如果試樣具有雙折射性或含有雙折射結構,部分光的偏光面將呈 90°扭曲(在圖中用紅線表示)。試樣圖像通過物鏡放大,并達到偏光鏡 2。如果偏光鏡 2 相對偏光鏡 1 呈 90°(稱為“暗位”),那么,僅穿過雙折射材料的光線可以穿過上述區域,且該現象用戶能夠觀察到。因此,僅偏光結構是可見的。
偏光鏡和檢偏鏡
當光線穿過第一個偏振濾光片時,將會生成線性偏振光。如果線性偏振光穿過適當偏光面上的雙折射材料,其將被折射,并分割成兩條光射線,部分光射線的偏光面將被轉動成 90°。如果經過折射的光射線已經適當校準(即與第一個偏振濾光片呈 90°),則其隨后將穿過第二個偏光鏡(檢偏鏡)。因此,僅雙折射材料能夠在偏光顯微鏡中生成圖像。
圖 2:太陽光或燈泡產生的光線屬于非偏光。這就意味著,電磁波將在所有方向上振蕩。如果非偏振光穿過偏光鏡 1,同時產生明確的偏光,在這種情況下,屬于垂直偏光。如果此偏光隨后到達轉動 90°后的偏光鏡 2,那么,將不會有光線穿過偏光鏡 2。因此,兩個偏光鏡彼此轉動 90°后將處于“暗位”上,因為從第二個偏光鏡后不會再看到任何光線。
受測的雙折射材料的偏光軸與第一個偏光鏡生成的偏光軸相同,這一點非常重要。因此,很多偏光顯微鏡配備轉動載物臺,用于確保物體的偏光面能夠輕松與第一個偏振濾光片的偏光面對齊。在偏光顯微鏡檢查中,有很多適用于特殊應用領域的配件。
勃氏鏡用于晶體模式下進行錐光鏡觀察,其將在物鏡后孔中聚焦。此外,補償鏡的光減速板對雙折射試樣的定量分析非常有用。
偏光顯微鏡應用領域
圖 3:波羅的海琥珀中的飛蟲內含物。盡管琥珀是一種非晶體物質,但是理論上來說,它具有光學各向同性,因內應變和包裹物引起的應變而產生的樹脂流狀構造,通過偏振光即可看見。運用偏振光和一級紅色補償鏡會使金琥珀色的顏色強度增加。暗場和入射光(玻璃纖維)照明系統組合,正交偏光鏡,一級紅色補償鏡,HDRI 色調映射。瑞士寶石學協會,位于瑞士伯爾尼,Courtesy of Michael Hügi。
圖 4:鈷,冷軋,Beraha 腐蝕劑,偏光。微觀結構形態檢測在材料科學與失效分析領域具有決定性作用。通過對顯微鏡下的腐蝕試樣進行光學偏振處理,常常能夠增強色彩相襯度,并促進特定微觀結構的構成。德國普福爾茨海姆應用技術大學,Courtesy of Ursula Christian。
圖 5:酒石酸,偏光