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偏光显微镜揭秘光学之谜

2024-03-07(482)次浏览

  一、单折射与双折射:当光线穿越某一物质时,若性质和路径不受照射方向影响,我们称之...

一、单折射与双折射:当光线穿越某一物质时,若性质和路径不受照射方向影响,我们称之为“各向同性”体,即单折射体。这类材料包括普通气体、液体以及非结晶性固体。然而,当光线穿越另一种物质时,光的速度、折射率、吸收性以及偏振和振幅等因照射方向而异,这就是“各向异性”体,即双折射体。晶体和纤维便是典型的代表。


二、光的偏振现象:在光波的舞台上,振动的特点如奇妙的旋律,分为自然光与偏振光。自然光的振动,宛如垂直光波传导轴上的多重舞姿,各平面上振动的振幅相互呼应;而当自然光经历反射、折射、双折射以及吸收等魔法时,它就沐浴着一种神秘的变化,呈现出只在一个方向上振动的绝妙光波,这就是我们所称之为“偏光”或“偏振光”。


三、偏光的产生及其作用:偏光显微镜,其神奇之处在于其核心部件——偏光装置,包括起偏器和检偏器。曾经,尼科尔(Nicola)棱镜是其灵魂之源,由天然方解石制成,但因晶体体积较大的限制,使得较大面积的偏振成为一种难以企及的幻想。然而,现代的偏光显微镜巧妙地采用了人造偏振镜,以硫酸喹啉(Herapathite)晶体打磨而成,呈现出独特的绿橄榄色。当普通光通过这神奇的偏振镜时,它即刻蜕变,成为只在一直线上振动的线偏振光。


偏光显微镜的灵魂之镜有两位主角,分别是位于光源与被检物体之间的“起偏镜”和位于物镜与目镜之间的“检偏镜”。操纵这两位主角,有手柄伸手镜筒或中间附件辅助,其上还配备了旋转角的刻度。当光源射出的光线穿过这两位主角时,若起偏镜与检偏镜的振动方向互相平行,即“平行检偏立”的情况下,视场将呈现为明亮的景象。反之,若两者互相垂直,即“正交校偏位”的情况下,视场则完全陷入黑暗,而若两者倾斜,则呈现中等程度的亮度。因此,在采用偏光显微镜进行检测时,起偏镜与检偏镜原则上要处于正交检偏位的状态下,方能展开光的独特之旅。


这段光的奇幻之旅,以起偏镜形成的线偏振光为主线,其振动方向与检偏镜的振动方向平行即能完全通过;若偏斜,则只能通过一部分;如若垂直,则完全无法穿越。因此,在采用偏光显微镜检时,原则上要使起偏镜与检偏镜处于正交检偏位的状态下进行。


四、正交检偏位下的双折射体:当偏光显微镜置身于正交检偏位时,视场陷入黑暗的深渊。此时,若被检物体在光学上呈现各向同性(单折射体)的特性,不论如何旋转载物台,视场仍为一片漆黑。这是因为起偏镜形成的线偏振光的振动方向始终如一,与检偏镜的振动方向互相垂直。


然而,一旦被检物体具备双折射特性或包含具有此特性的物质,奇迹般的事情发生了。在具双折射特性的区域,视场竟然变得明亮起来。这是因为从起偏镜射出的线偏振光进入双折射体后,产生了两种振动方向不同的线偏振光。当这两种光通过检偏镜时,束光与检偏镜偏振方向不正交,于是可以透过检偏镜,使人眼看到明亮的画面。


当光线穿越双折射体时,两种偏振光的振动方向随物体种类而异。在正交情况下,旋转载物台,双折射体的象在360°的旋转中经历四次明暗变化,每隔90°变暗一次。这种变暗的位置即是双折射体的两个振动方向与两个偏振镜的振动方向相一致的“消光位置”。从这一位置旋转45°,被检物体突然变得亮,这便是“对角位置”的奇迹所在。因为偏离45°时,偏振光到达物体时,分解出的光线可以通过检偏镜,因此呈现出明亮的光景。根据上述基本原理,利用偏光显微术就可能判断各向同性(单折射体)和各向异性(双折射体)物质。


五、正交检偏位下的双折射体:在正交检偏位的神秘世界中,借助各种不同波长的混合光线作为魔法之源,以观察双折射体。在旋转载物台的舞台上,视场不仅呈现亮的对角位置,还绚烂绽放出迷人的颜色。


六、干涉色:干涉色的分布特征取决于双折射体的品种和它的薄厚度,这是因为不同颜色光的波长对相应的相位延迟有着特殊的依赖关系。若被检物体的某个区域的光波延迟与另一区域不同,透过检偏镜的光线也就展现出多彩的面貌。


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