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偏光顯微鏡的原理與應用

時間:2018-11-27



偏光顯微鏡(Polarizing microscope)是用于研究所謂透明與不透明各向異性材料的一種顯微鏡,在地質學等理工科專業中有重要應用。凡具有雙折射的物質,在偏光顯微鏡下就能分辨的清楚,當然這些物質也可用染色法來進行觀察,但有些則不可用,而必須利用偏光顯微鏡。


基本原理

1.單折射性與雙折射性光線通過某一物質時,如光的性質和進路不因照射方向而改變,這種物質在光學上就具有“各向同性”,又稱單折射體,如普通氣體、液體以及非結晶性固體;若光線通過另一物質時,光的速度、折射率、吸收性和偏振、振幅等因照射方向而有不同,這種物質在光學上則具有“各向異性”,又稱雙折射體,如晶體、纖維等。

2.光的偏振現象:光波根據振動的特點,可分為自然光與偏振光。自然光的振動特點是在垂直光波傳導軸上具有許多振動面,各平面上振動的振幅分布相同;自然光經過反射、折射、雙折射及吸收等作用,可得到只在一個方向上振動的光波,這種光波則稱為“偏光”或“偏振光”。

3.偏光的產生及其作用:偏光顯微鏡最重要的部件是偏光裝置——起偏器和檢偏器。過去兩者均為尼科爾(Nicola)棱鏡組成,它是由天然的方解石制作而成,但由于受到晶體體積較大的限制,難以取得較大面積的偏振,偏光顯微鏡則采用人造偏振鏡來代替尼科爾梭鏡。 人造偏振鏡是以硫酸喹啉又名Herapathite的晶體制作而成,呈綠橄欖色。當普通光通過它后,就能獲得只在一直線上振動的直線偏振光。 偏光顯微鏡有兩個偏振鏡,一個裝置在光源與被檢物體之間的叫“起偏鏡”;另一個裝置在物鏡與目鏡之間的叫“檢偏鏡”,有手柄伸手鏡筒或中間附件外方以便操作,其上有旋轉角的刻度。 從光源射出的光線通過兩個偏振鏡時,如果起偏鏡與檢偏鏡的振動方向互相平行,即處于“平行檢偏位”的情況下,則視場最為明亮。反之,若兩者互相垂直,即處于“正交校偏位”的情況下,則視場完全黑暗,如果兩者傾斜,則視場表明出中等程度的亮度。由此可知,起偏鏡所形成的直線偏振光,如其振動方向與檢偏鏡的振動方向平行,則能完全通過;如果偏斜,則只以通過一部分;如若垂直,則完全不能通過。因此,在采用偏光顯微鏡檢時,原則上要使起偏鏡與檢偏鏡處于正交檢偏位的狀態下進行。

4.正交檢偏位下的雙折射體:在正交的情況下,視場是黑暗的,如果被檢物體在光學上表現為各向同性(單折射體),無論怎樣旋轉載物臺,視場仍為黑暗,這是因為起偏鏡所形成的線偏振光的振動方向不發生變化,仍然與檢偏鏡的振動方向互相垂直的緣故。若被檢物體具有雙折射特性或 含有具雙折射特性的物質,則具雙折射特性的地方視場變亮,這是因為從起偏鏡射出的直線偏振光進入雙折射體后,產生振動方向不同的兩種直線偏振光,當這兩種光通過檢偏鏡時,由于另一束光并不與檢偏鏡偏振方向正交,可透過檢偏鏡,就能使人眼看到明亮的象。光線通過雙折射體時,所形成兩種偏振光的振動方向,依物體的種類而有不同。

雙折射體在正交情況下,旋轉載物臺時,雙折射體的象在360°的旋轉中有四次明暗變化,每隔90°變暗一次。變暗的位置是雙折射體的兩個振動方向與兩個偏振鏡的振動方向相一致的位置,稱為“消光位置”從消光位置旋轉45°,被檢物體變為最亮,這就是“對角位置”,這是因為偏離45°時,偏振光到達該物體時,分解出部分光線可以通過檢偏鏡,故而明亮。根據上述基本原理,利用偏光顯微術就可能判斷各向同性(單折射體)和各向異性(雙折射體)物質。

5.干涉色:在正交檢偏位情況下,用各種不同波長的混合光線為光源觀察雙折射體,在旋轉載物臺時,視場中不僅出現最亮的對角位置,而且還會看到顏色。出現顏色的原因,主要是由干涉色而造成(當然也可能被檢物體本身并非無色透明)。干涉色的分布特點決定于雙折射體的種類和它的厚度,是由于相應推遲對不同顏色光的波長的依賴關系,如果被檢物體的某個區域的推遲和另一區域的推遲不同,則透過檢偏鏡光的顏色也就不同。

雙折射性是晶體的基本特征。因此,偏光顯微鏡被廣泛地應用在礦物、化學等領域。在人體及動物學方面,常利用偏光顯微術來鑒別骨骼、牙齒、膽固醇、神經纖維、腫瘤細胞、橫紋肌和毛發等。

1、生物領域:在生物體中,不同的纖維蛋白結構顯示出明顯的各向異性,使用偏光顯微鏡可得到這些纖維中分子排列的詳細情況。如膠原蛋白、細胞分裂時的紡綞絲等。

2、各種生物和非生物材料鑒定:如淀粉性質鑒定、藥品成分鑒定、纖維、液晶、DNA晶體等。

3、醫學分析:如結石、尿酸晶體檢測、關節炎等。

4、地礦分析:除了常見的生物醫學方面的應用之外,偏光顯微鏡還可用于對各種礦物及結晶體的偏光檢測,被廣泛應用于石油、采礦及半導體行業。LED照明及專用濾鏡更是能夠在質量控制及工業分析中進行應用。




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