偏光顯微鏡揭秘光學之謎
2024-03-07 (227)次瀏覽
一、單折射與雙折射:當光線穿越某一物質時,若性質和路徑不受照射方向影響,我們稱之為“各向同性”體,即單折射體。這類材料包括普通氣體、液體以及非結晶性固體。然而,當光線穿越另一種物質時,光的速度、折射率、吸收性以及偏振和振幅等因照射方向而異,這就是“各向異性”體,即雙折射體。晶體和纖維便是典型的代表。
二、光的偏振現象:在光波的舞臺上,振動的特點如奇妙的旋律,分為自然光與偏振光。自然光的振動,宛如垂直光波傳導軸上的多重舞姿,各平面上振動的振幅相互呼應;而當自然光經歷反射、折射、雙折射以及吸收等魔法時,它就沐浴著一種神秘的變化,呈現出只在一個方向上振動的絕妙光波,這就是我們所稱之為“偏光”或“偏振光”。
三、偏光的產生及其作用:偏光顯微鏡,其神奇之處在于其核心部件——偏光裝置,包括起偏器和檢偏器。曾經,尼科爾(Nicola)棱鏡是其靈魂之源,由天然方解石制成,但因晶體體積較大的限制,使得較大面積的偏振成為一種難以企及的幻想。然而,現代的偏光顯微鏡巧妙地采用了人造偏振鏡,以硫酸喹啉(Herapathite)晶體打磨而成,呈現出獨特的綠橄欖色。當普通光通過這神奇的偏振鏡時,它即刻蛻變,成為只在一直線上振動的線偏振光。
偏光顯微鏡的靈魂之鏡有兩位主角,分別是位于光源與被檢物體之間的“起偏鏡”和位于物鏡與目鏡之間的“檢偏鏡”。操縱這兩位主角,有手柄伸手鏡筒或中間附件輔助,其上還配備了旋轉角的刻度。當光源射出的光線穿過這兩位主角時,若起偏鏡與檢偏鏡的振動方向互相平行,即“平行檢偏立”的情況下,視場將呈現為明亮的景象。反之,若兩者互相垂直,即“正交校偏位”的情況下,視場則完全陷入黑暗,而若兩者傾斜,則呈現中等程度的亮度。因此,在采用偏光顯微鏡進行檢測時,起偏鏡與檢偏鏡原則上要處于正交檢偏位的狀態下,方能展開光的獨特之旅。
這段光的奇幻之旅,以起偏鏡形成的線偏振光為主線,其振動方向與檢偏鏡的振動方向平行即能完全通過;若偏斜,則只能通過一部分;如若垂直,則完全無法穿越。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。
四、正交檢偏位下的雙折射體:當偏光顯微鏡置身于正交檢偏位時,視場陷入黑暗的深淵。此時,若被檢物體在光學上呈現各向同性(單折射體)的特性,不論如何旋轉載物臺,視場仍為一片漆黑。這是因為起偏鏡形成的線偏振光的振動方向始終如一,與檢偏鏡的振動方向互相垂直。
然而,一旦被檢物體具備雙折射特性或包含具有此特性的物質,奇跡般的事情發生了。在具雙折射特性的區域,視場竟然變得明亮起來。這是因為從起偏鏡射出的線偏振光進入雙折射體后,產生了兩種振動方向不同的線偏振光。當這兩種光通過檢偏鏡時,束光與檢偏鏡偏振方向不正交,于是可以透過檢偏鏡,使人眼看到明亮的畫面。
當光線穿越雙折射體時,兩種偏振光的振動方向隨物體種類而異。在正交情況下,旋轉載物臺,雙折射體的象在360°的旋轉中經歷四次明暗變化,每隔90°變暗一次。這種變暗的位置即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“消光位置”。從這一位置旋轉45°,被檢物體突然變得亮,這便是“對角位置”的奇跡所在。因為偏離45°時,偏振光到達物體時,分解出的光線可以通過檢偏鏡,因此呈現出明亮的光景。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。
五、正交檢偏位下的雙折射體:在正交檢偏位的神秘世界中,借助各種不同波長的混合光線作為魔法之源,以觀察雙折射體。在旋轉載物臺的舞臺上,視場不僅呈現亮的對角位置,還絢爛綻放出迷人的顏色。
六、干涉色:干涉色的分布特征取決于雙折射體的品種和它的薄厚度,這是因為不同顏色光的波長對相應的相位延遲有著特殊的依賴關系。若被檢物體的某個區域的光波延遲與另一區域不同,透過檢偏鏡的光線也就展現出多彩的面貌。
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