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顯微課堂 | 偏光顯微鏡原理

更新時間:2024-11-15      點擊次數(shù):657


偏光對比顯微成像入門

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偏光顯微鏡通常應用于材料科學和地質(zhì)學領域,根據(jù)礦物的折射特性和顏色來識別礦物。在生物學中,偏光顯微鏡通常用于晶體等雙折射結構的識別或成像,或用于植物細胞壁中纖維素和淀粉粒的成像。

雙折射是偏光顯微鏡的關鍵


雙折射物體具有通過折射將單束光分成兩束不同光的特性。雙折射材料包括具有高度有序分子結構的材料,如方解石或氮化硼晶體。生物標本(如纖維素或淀粉)也具有雙折射性。雙折射與線性偏振光相結合,可用于顯微鏡觀察,實現(xiàn)兩束不同光線的干涉,從而產(chǎn)生色彩效果,如光環(huán)和結構發(fā)光。


偏光顯微鏡的對準和光束路徑

普通光學顯微鏡至少需要兩個附加組件才能實現(xiàn)偏光顯微鏡觀察。要檢測雙折射性,必須使用線偏振光照明。因此,必須在顯微鏡的光束路徑中插入兩個偏振濾光片。通過起偏器產(chǎn)生偏振光來照射試樣,第二個偏振濾光片(稱為檢偏器)將檢測到的光限制為折射光。


偏振濾光片必須互成 90° 角,才能達到所謂的 "全黑位置"。當偏振濾光片設置在這個位置時,沒有光線會進入相機或目鏡,圖像將是暗的。設置為“全黑"是偏光顯微鏡的一個重要步驟,因為它可以確保只有因試樣而導致偏振面發(fā)生變化的光線才是可見的。

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圖 1:偏振顯微鏡的原理:未偏振光由起偏器 1 進行偏振。通過起偏器 1 后,光線被聚光器聚焦到試樣上。如果試樣具有雙折射或含有雙折射結構,則部分光線的偏振面會扭曲 90°(草圖中的紅線表示)。試樣的圖像被物鏡放大后,打到起偏器 2 上。如果起偏器2 比起偏器 1 扭轉(zhuǎn) 90°(即所謂的 "暗位置"),則只有通過雙折射試樣后偏振發(fā)生變化的光才能到達目鏡或照相機,并被觀察者看到。因此,只有改變偏振光的結構才是可見的。

起偏器和檢偏器


當光線通過第一個偏振濾光片時,會產(chǎn)生線性偏振光。如果線性偏振光在正確的偏振面上通過雙折射材料,則會產(chǎn)生折射并分成兩束光線,其中一部分光線的偏振面會旋轉(zhuǎn) 90°。如果第二個偏振器(檢偏器)對齊正確(即相對于第一個偏振濾光片成 90°),折射光線就會通過第二個偏振器(檢偏器)。因此,只有雙折射材料才能在偏振光顯微鏡中產(chǎn)生圖像。


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圖 2:太陽光或燈泡發(fā)出的光為非偏振光,即電磁波在所有方向上都會發(fā)生振蕩。如果非偏振光通過起偏器 1,就會產(chǎn)生具有明確偏振的光,在本例中為垂直偏振光。如果這束偏振光照射到起偏器 2 上,起偏器 2 旋轉(zhuǎn) 90°,則沒有光通過。因此,這兩個起偏器處于所謂的 "暗位置",因為經(jīng)過第二個起偏器后就再也看不到光了。

重要的是,被檢測的雙折射材料的偏振軸與第一個偏振片產(chǎn)生的光處于同一偏振軸上。因此,許多偏光顯微鏡都配備了旋轉(zhuǎn)平臺,以確保物體的偏振面與第一偏振濾光片的偏振面容易對準。偏光顯微鏡的特殊應用可使用各種附件。


貝特朗透鏡可用于對物鏡后孔聚焦的晶體圖案進行圓錐觀察。此外,延緩板或補償器可用于對雙折射試樣進行定量分析。

偏光顯微鏡的應用

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圖 3:波羅的海琥珀中的蒼蠅。雖然琥珀是一種無定形物質(zhì),理論上具有光學各向同性,但在偏振光下可以觀察到內(nèi)部應變造成的樹脂流動結構以及夾雜物造成的應變。偏振光和一階紅色補償器的使用使原本金黃的琥珀呈現(xiàn)出濃烈的色彩。暗場和入射光(玻璃纖維)、交叉偏振、一階紅色補償器、HDRI 色調(diào)映射的組合。由瑞士伯爾尼瑞士寶石學會 Michael Hügi 提供。

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圖 4:鈷,冷軋,貝拉哈刻蝕,偏光。微觀結構形態(tài)的檢查在材料科學和失效分析中起著決定性作用。在偏光顯微鏡下對刻蝕樣品進行光學偏振,往往可以增強顏色對比度和特定的微觀結構形態(tài)。由德國普福爾茨海姆大學的 Ursula Christian 提供。

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圖 5:用偏光顯微鏡拍攝的酒石酸晶體。酒石酸是一種天然存在的二元醛羧酸,主要存在于葡萄中。

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圖 6:用偏振顯微鏡拍攝的用巴克試劑蝕刻的鋁(Al)合金圖像。通過偏振光可以看到蝕刻后的鋁合金晶粒。




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