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偏光显微镜--偏振光和双折射原理

发布时间:2011-12-19   点击次数:5326次

偏光显微镜--偏振光和双折射原理

偏光显微镜是一种具有起倘振器、检偏振器和补偿器等装置的特殊显微镜,它可以用于对于具右各向异性的生物学材料(如纤维蛋白、淀粉粒、纺锤丝等)的观察和定量工作,而且普遍用于矿构和岩石学中晶体的鉴定。

—、偏振光和双折射原理

根据现代波动光学理论,一束光可以被看作是由无数连续的并相互具有10ˉ8S间隔的光量子组成,每一束光波都可以被分解为矢量的振动。一班这种振动发生在与传播方向垂立的所有方向上,并且在各个方向上的振幅都相等,这种光被称为非偏振光或天然光。与此相反,只在一个固定的方向上振动的光称为线性偏振光。偏振光的振动方向和传播方向所成的平面称为振动面,通过光轴并与振动方向垂直的平面称为偏振面,这种光矢量一般被描述为一种圆周运动(顺时针或反时针方向),因此这种情况被称为光的圆周偏振。地说这种运动并不完全是圆周运动,而是一种螺旋运动。椭圆偏振是处于线性偏振和圆周偏振之间酌一种情况,也是经常发生的一种类型,而线性偏振和圆周偏振可以被看作是椭圆偏振的两个极端情况。

当介质中的原于和分子在三维方向上的分布是完全相同时,对于在任何方向上通过介质的光束来说折射率部是相等的,这些物质在光学上放称为各向同性物质。然而像晶体或动物中的蛋白纤维等许多无机物或有机物,在某种程度上显示出各个方向上折射牢并不相同的特点,具有这种特性的物质被称为各向异性物质或双折射物质。通过这种物质的光被分成在两个互相垂直的平面上偏振的光,一种是服从通常的折射定律的正常光线(或称O-光线).另一种是异常光线(或称E--光线),它具有不同于正常光线的传播速度和折射率(图11.1B)。异常光线的传播速度随着通过双折射材料光线的方向而变化。在任何各向异性的材料中至少可以找到一个方向、在这个方向上O--光线和E--光线的传播速度相等,这个方向被称为光轴,当然应该注意这是一个方向而不是一条直线。十分明显,异常光线的折射率(Ne)和正常光线曲折射率(No)之差随着入射光与光轴之间的角度而变化。对丁双折射物质来说它的(Ne—No)的zui大值是各向异性材料的一种特性。由于异常光线当它从光轴的方向被偏离时,可以显示出在速度上的增加或减小,因而双折射有正负之分。

在方解石这种高程度的双折射材料中,可以通过把两束光的一束移开而产生平面偏振光。把以对角线切开酌两块方解石斜方六面体用加拿大树胶粘在一起就构成了的尼科耳棱镜。由于这种粘着物质具有正好在No和Ne之间的折射串,于是在这个分界层上E--光线被透过,而O--光线被反射,并且在棱镜的变暗面由于吸收而被移开(图11.1C)

两个尼科耳棱镜当它们的主平团平行时,除了由于吸收相反射的光损失而外,来自*个棱镜的偏振光束将不受影响地通过第二个棱镜。然而当主平面互相垂直时,来门*个棱镜的异常光线进入正常光线的振动平面,并且将被反射,在这种情况下使用十字棱镜的结果是没有光线迎过第二个棱镜。因此通过两个尼科尔棱镜的光量是它们主要平面之间角度θ的一个函数,当这个角度从0°转到90°时,透过第二个尼科耳棱镜的光振动的振幅与cosθ成反比例。

大多数液体和非品格的固体出于它们的化学键,分子的运动是完全随意的.因而是备向闷性的;但是在某些物质学出于分子振动的多样性引起了各向异性现象,它所形成的双折射可以分为以下几种类型:

(1)晶态双折射。这实质上是由于化学键不对称排列所引起的各向异性结果,它为许多品体所持食。在生物体中的胶原纤维、肌纤维等结构也呈现这种双折肘,它与物体所在介质的折射牟是无关的。

(2)形式双折射。这是由具璃一定折射率的不对称微粒所引起的,这种双折射的形成取决于能够透入扳动的不对称粒子的介质折射率。

(3)应变双折射。当一个破坏力在分子键上起作用时,在分子结构中就会产生优光振动并导致各向异性。应力玻璃和伸张掸力纤维就是如此。

(4)流动双折射。在正常情况下表现为各向异性的某些液体,当受到切向压九时,由于被溶解的粒子振动中的变化而变成了双折射。

除了考虑到正常光线和并常光线之间振动平面的不同而外。一些双折射材料还显示出对O--光线和E一光线不同的吸收,这种现象称为二色性。例如电石晶体就具有强烈的二色性,当它的厚度为1mm时就能够全部吸收E一光线;在生物体中一—色性是很少见的,但通过适当的染色方法在一定的组织成分中有时可以诱导这种二色性。

应该指出偏振光不仅可以通过折射(如在尼科耳棱镜中)或吸收(在二色性材科中)产生,而且也可以通过反射和散射而产生。当光以一定的角度从破璃那样的折射表面被反射时,与折射表面平行的振动平面的光被优先反射,这种现象有时在十字棱镜之间物体的边部可以看到。

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