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尼康显微镜:偏振光的简介

2013-10-16  发布者:admin 

阳光和几乎所有其他形式的天然和人工照明产生的电场矢量在所有平面是相对于传播方向的垂直振动的光波。如果电场矢量被限制在一个单一的平面,通过过滤的光束与专门的材料,则光被称为平面相对于传播方向上的线偏振光,并且所有在一个单一的平面中振动的波被称为平面平行平面极化

polarized light figure1

人类的眼睛没有能力来区分随机取向和偏振光,平面偏振光只能穿用偏光太阳眼镜时,通过检测到的强度或色彩效果,例如,通过降低眩光。实际上,人类不能区分高对比度​​的偏振光显微镜捕获的数字(或膜)相同的试样相同的图像中观察到的真实图像,然后与未极化的光投射到屏幕上投影。偏振光的基本概念的示出图1中的非偏振光束入射的光的两个线性偏振器。电场矢量中描绘了在所有方向上(360度的正弦波振动的入射光束,虽然只有6个波,以60度的间隔隔开,包含在图中)。在现实中,入射光的电场矢量垂直于振动的传播方向,在遇到第一个偏振器之前,在所有平面相等的分配。

图1中所示的偏振器,实际上是包含在一个单一的方向取向的长链聚合物分子的过滤器。只有是在相同的平面内取向的聚合物分子振动的入射光被吸收,而直角振动的光通过第1偏振滤光器的聚合物平面。第一偏振器的偏振方向与入射光束是垂直方向,所以它会通过只具有垂直的电场矢量的波。通过第一偏振片的波随后由所述第二偏振器阻挡,因为这个偏振器中的光波的电场矢量相对于水平方向。使用两个偏振器相对于彼此成直角定向的概念通常被称为交叉偏振和偏振光显微镜的概念的基础。

偏振光的存在的第一个线索浮出水面1669左右,Erasmus前庭大的发现,晶体矿物冰洲石(方解石无色透明的各种)查看对象时,通过在透射光中的结晶产生双像。在他的实验中,前庭还观察到一个相当不寻常的现象。当方解石晶体是围绕一个特定的轴线转动,其中一个图像在一个圆圈周围的其他的移动,提供了强有力的证据表明,晶体以某种方式分裂成两个不同的光束光。

polarized light figure2

一个多世纪之后,法国物理学家艾蒂安平邑审议通过方解石晶体反射光图像,并注意到,在某些情况下,图像将消失。他错误地推测,普通日光灯是由两种不同的灯光形式的方解石晶体,通过不同的路径。它以后被确定的差的发生是由于光通过晶体的极性。日光是由在所有平面振动的光,而反射光被通常被限制在一个单一的平面,平行光被反射的表面,从该表面。

偏振光可以从共同的物理过程偏离的光束,包括吸收,折射,反射,衍射(或散射)的过程被称为双折射(双折射属性)。从平坦表面的介电(或绝缘)材料反射的光往往是部分偏振光,振动的材料的表面平行的平面内的反射光的电矢量。常见的例子,表面反映偏振光原状水,玻璃,板材塑料和公路。在这些实例中,光波的电场矢量平行于表面的反射在更大程度上有不同的取向。绝缘表面的光学特性的确定确切的偏振光的反射光量。镜子是没有良好的偏光片,虽然广泛的透明材料作为偏振片非常好,但在一定范围内,只有当入射光的角度是面向。的一个重要特性的反射的偏振光的偏振的程度取决于光的入射角,极化的增加量被用于减小入射角观察。

当考虑在平坦的绝缘表面上的非偏振光的发生率,是一个独特的角度,在该角度的反射光的波都是成一个单一的平面偏振光。这个角度通常称为布儒斯特角,并且可以很容易地利用下面的公式用于行进的光的光束通过空气计算:


n = sin(θi)/sin(θr) = sin(θi)/sin(θ90-i) = tan(θi)

n在媒体中被反射的光的折射率,θ)的入射角,而θR)中的折射角。通过检查该公式时,它变得明显,一个未知的样品的折射率,可以由布儒斯特角。此功能是特别有用的不透明的材料,具有高的吸收系数,透射光的情况下,使通常的斯涅耳定律式不适用。确定的金额通过偏振反射技术还简化了搜索在一张纸上未标记的偏光片的偏光轴。

polarized light figure3

布儒斯特角的原理如图3所示,具有比空气更高的折射率的透明介质的平坦面反射的光线从一个单一的射线。只有两个电矢量的振动面的入射光线绘制,但是用于表示在所有平面的光的振动的传播方向垂直。当光束到达在一个临界角(布儒斯特角,表示由图3中的变量θ的表面上,反射光束的偏振度为100%,与躺在垂直于入射面的电矢量的方向并平行于所述反射面。于入射面的定义的事件中,折射和反射波。在90度角反射,折射光线的方向的,仅是部分偏振光。

对于水(折射率为1.333),玻璃(折射率为1.515),钻石(折射率为2.417),临界角(布鲁斯特)53,57和67.5度,分别。布儒斯特角从公路路面反射光往往产生恼人的和令人分心的眩光,可以证明很容易通过观看远处的一条公路或一个炎热,阳光明媚的日子,一个游泳池表面的一部分。现代激光器通常利用布儒斯特角的激光谐振腔的端部附近的位置的上面的镜面反射产生直线偏振光。

如上所讨论的,明亮的反射水平的表面,如在高速公路或在一个池中的水,源自部分偏振光,在与地面平行的方向上的电场矢量的振动。可以阻止该光通过偏振滤光器在垂直方向上取向,如在图4中示出,有一对偏光太阳镜。镜片的太阳镜中,垂直取向相对于帧的偏振滤光器。在图中,蓝色的光波电场矢量为本在相同的方向上偏振透镜,从而,通过。与此相反,红色光的波的振动方向垂直于过滤器的方向,并阻断透镜。在阳光下,或在沙滩上驾驶时,在路面或水面的表面反射阳光,导致眩光,几乎可以是致盲的偏光太阳镜是非常有用的。偏振滤光器也是很有用的,在摄影中,在那里他们可以连接到相机镜头的前面,以减少眩光,增加照片或数字图像的整体图像的对比度。相机上使用的偏振器一般被设计,使他们能够在使用中旋转,以达到预期的效果,在各种照明条件下,用安装环。

polarized light figure4

始建于十九世纪初的第一个偏振滤镜之一,由法国科学家弗兰鏾阿拉戈到偏振光的性质,是一个积极的研究者。阿拉戈调查在天空中从各种来源的原光的极性,并提出了一种理论,预测光的速度应该降低,因为它传递到一个密介质。他还曾与奥古斯丁菲涅尔调查偏振光的干涉,并,发现面向偏振光振动方向互相垂直的两束不会发生干扰。阿拉戈的偏光过滤器,设计,建于1812年,是从堆栈玻璃板压在一起。

今天使用的偏光材料大部分来自埃德温H.土地博士于1932年发明的合成薄膜,很快超越了所有其他材料为介质的首选生产平面偏振光。以产生薄膜,微小的微晶硫酸iodoquinine的,在相同的方向上取向等,都包含在一个透明的聚合物薄膜,以防止迁移和重新调整的结晶。土地开发的片材含有市场上销售,商品名:宝丽来(注册商标),这已成为公认的通用术语,这些片的偏振膜现在任何设备能够选择平面偏振光自然(非偏振)白光称为极性偏振片,这个名字在1948年首次推出AF哈里蒙德的。由于这些过滤器是差分传输,这取决于它们的方向的偏振轴相对于光线的能力,它们显示出一种形式的二色性,通常被称为二向色滤光片

偏光显微镜首次推出在十九世纪,但不是采用偏振传输材料,光从堆栈设置在57度角入射平面玻璃板的反射偏振。购买,更高级的仪器依赖于专门切割和胶合在一起以形成一个棱镜的一个晶体的双折射率的材料(如方解石)。甲进入这种类型的结晶的白色非偏振光束分离为两个部分,在互相垂直(正交)方向极化。

水晶具有双折射新兴的光线被称为普通射线,而另一种是所谓的非寻常光寻常光折射晶体中通过静电引力在更大程度上影响胶合表面的全内反射的临界角。其结果是,这种射线被反射棱镜和消除由吸收的光的装载。异常光线穿过棱镜,并成为线性偏振光束直接通过冷凝器和试样定位在显微镜载物台上。

几个版本基于棱镜偏光器一度被广泛使用,并得到了这些后,他们的设计师的名字命名。威廉·尼科尔,谁第一个裂解和胶合在一起两个冰洲石晶体与加拿大香脂在1829年被命名后,最常见的偏振棱镜(如图5所示)。尼科尔棱镜最初是用来测量双折射的化合物的极化角,从而导致新的发展,可在偏振光和结晶物质之间的相互作用的理解。

polarized light figure5

图5中,是一个典型的尼科尔棱镜建设的一个例证。双重折射晶体双折射材料,通常方解石,切断沿平面标记ABCD,然后粘合在一起的两半,重现原来的晶体形状。白色光的非偏振光的光束进入晶体从左侧被分裂成两部分组成,在相互垂直的方向极化。这些光束之一(标记为寻常光线)被折射在更大程度上影响了骨水泥的边界以一定角度,在其通过最上面的晶面的棱镜的全反射的结果。另一束异常光线被折射在较小的程度,并通过作为一个平面上的光的偏振分束棱镜退出。

其他棱镜的配置建议,并在十九世纪和二十世纪初建造,但目前不再用于生产偏振光在现代应用。尼科尔的棱镜是非常昂贵和笨重,有一个非常有限的光圈,这将限制其使用,在高放大倍率。相反,偏振光现在最常用的具有特定的振动方向的一组中的过滤介质(例如偏光片),其中过滤器的透射轴垂直的方向的线性聚合物的结晶由光吸收产生的偏振材料。

在现代化的偏振片,入射光波具有平行的晶轴的偏振器的电矢量振动被吸收。的入射波的矢量方向倾斜,但不垂直于晶轴,并仅会部分地吸收。斜光波的吸收度取决于它们影响偏振器的振动角。这些光线具有角度接近平行的晶轴相对于将被吸附到更大的程度比具有接近垂直的角度。最常见的的宝丽来滤波器(称为H系列)只有约25%的入射光束的传输,但传输的光线的偏振的程度超过99%。

一些应用程序中,最显着的偏光显微镜,依靠正交偏光检查双折射或双折射标本。当两个偏振器,其透射轴交叉的方向彼此垂直的光通过第一偏振器完全熄灭,或吸收,由所述第二偏振器,这是通常被称为分析仪质量的二向色的偏振滤光器的光吸收确定到底有多少随机光熄灭,是利用在一对交叉的偏振器时,被称为偏振器消光系数定量地,消光系数确定时,通过一对偏振器的透射轴与通过的量,当它们被相互垂直的定位方向平行的光的比例。在一般情况下,在10,000和100,000之间的灭绝因素须出示漆黑的背景和偏光显微镜最大可观察标本双折射(对比度)。

polarized light figure6

分析仪相对于偏振器的方向是由光通过的量的划线对高品质的偏振片。当偏振片方向互相垂直,他们表现出最大程度的灭绝。然而,在其他的角度,不同程度的消光,如在图6中示出的向量图。利用该分析仪量来控制光通过交叉对,并且可以在光路中的旋转来实现不同的振幅的偏振光通过。在图6中(a)所示,具有平行的偏振器和分析器的透射轴和光通过偏振器和分析器的电矢量的幅度相等,相互平行地。

分析仪的透射轴旋转30度,偏振器可减少对通过的光的波的幅度,如图图6(b)中示出。在这种情况下,透过偏振片的偏振光的透射光可以分解成水平和垂直分量的矢量数学偏振光的振幅,能够通过分析仪来确定。通过分析器发送的射线的振幅相等的垂直矢量分量(在图6(b)所示的黄色箭头)。

分析仪的透射轴继续转动,相对于起偏器的透射轴的角度为60度,进一步降低了通过分析器(图图6(c))所发送的矢量分量的幅度。完全越过当分析仪和偏振器(90度角),垂直分量变得微不足道(图6(D))和偏光片已达到其最大的吸光值。

的一对偏振器的光通过的量可以定量描述应用海棠'余弦平方法,作为偏振器的透射轴之间的角度的函数,利用公式:

I = I(O)COS 2 θ

其中I是光穿过分析仪(和总的光量,通过对正交偏光)的强度,I(O)是入射偏振器的光的强度,和θ之间的角度透射轴的偏振器和分析器。通过检查该公式,它可以被确定,当两个偏振器交叉(θ = 90度),强度为零。在这种情况下,光通过被偏振片由分析仪完全熄灭。当部分,在30和60度的交叉偏振器,由分析仪透射的光被减少了25%和75%,分别。

散射光的偏振

气体和水分子在大气中的散射光线四面八方,从太阳的效果是负责蓝色的天空,白云,红色的落日,这种现象被称为大气极化取决于分子的大小(氢,氧,水)的光的波长,如于1871年由瑞利散射的光量(称为瑞利散射)。较长的波长,如红,橙,黄,不分散,尽可能有效地在更短的波长,如紫色和蓝色。

polarized light figure7

大气偏振瑞利散射的太阳光在大气中的气体分子的直接结果。当一个光子从太阳和气体分子之间的影响,从光子的电场诱导(图7中所示)从分子的偏振光的振动和随后的再辐射。辐射光被散射成直角的方向上的太阳光的传播,偏振垂直或水平,这取决于分散的方向。偏振光影响地球大部分是水平极化(超过50%),可以确认一个事实,即通过滤光片观察天空。

报告已经浮出水面,某些种类的昆虫和动物能够探测到偏振光,包括蚂蚁,果蝇和某些鱼类,虽然实际上可能更长。例如,一些昆虫种类(主要是蜜蜂)被认为是采用偏振光导航到目的地。它也被广泛认为是对偏振光敏感的一些个人,都能够观察到一个黄色的水平线盯着垂直的方向时,太阳的方向(的现象称为海丁格尔刷叠加在蓝色的天空计入黄色色素蛋白,称为黄斑,这是居住在人眼凹的分色晶体,使一个人查看偏振光。

椭圆偏振光和圆偏振光

直线偏振光,电矢量在一个平面上的垂直于传播方向的振动,如上面所讨论的。自然光源,如日光,人工光源,包括白炽灯和荧光灯的光,发射光的电矢量在空间和时间上是随机的取向。此类型的光被称为非偏振光此外,存在一些椭圆偏振光状态,介于线性和非偏振光,电场矢量转录在所有平面的椭圆形的形状,光波传播方向垂直。

不同,平面偏振光和非偏振光,椭圆偏振光的旋转的“感觉”,指的是电矢量旋转的方向的光束的传播(入射光轴)周围。最终查看时,偏振方向可以是左手或右手,被称为椭圆极化霸道的属性顺时针旋转扫描的载体被称为右手的极化,逆时针旋转扫描代表左手极化。

在主要和次要的矢量的极化椭圆轴的情况下,都是平等的,那么光波落入圆极化的范畴,可以是惯用右手或左手的感觉。另一种情况下经常发生,其中所述短轴的椭圆偏振光的电矢量分量变为零,和受光变成直线偏振光。虽然可以实现这些偏振图案中的每一个与适当的光学仪器在实验室中,它们也可能会发生(不同,但次要的程度)在天然非偏振光。

普通和特殊光波束光穿越时产生双折射晶体是彼此相互垂直的平面极化向量。此外,由于电子的相互作用的差异,每个组件通过晶体的过程中经历的行程中,相移,通常会出现在两个波之间。虽然普通和特殊波遵循独立的轨迹和广泛分离先前描述的方解石晶体,这不是一般的情况下结晶材料具有光轴事故照明的平面是垂直的。

polarized light figure8

一类特殊的材料,被称为补偿延迟板生产椭圆和圆偏振光的一些应用,包括偏光显微镜是非常有用的。这些双折射物质的选择,因为当其光轴垂直于入射光束的位置,普通和特殊光线遵循相同的轨迹,并表现出相位差的双折射的程度取决于。由于双正交波叠加,它可以被认为是一个单一的波具有相互垂直的电矢量的分离元件由一个小的相位差。当载体相结合,通过在三维空间中的简单的加法,由此产生的波变成椭圆偏振光。

这个概念是在图8中示出,所得的电矢量在一个单一的平面中不振动,但逐步光波传播的轴线周围旋转,扫出一个椭圆形的轨迹,显示为一个螺旋波是在一个角度看时。普通和特殊的波(幅值相等)之间的相位差的大小确定是否矢量扫描时,波的传播方向上观看从一个椭圆形或圆形的通路。如果相移可以是四分之一或四分之三波长,那么一个圆形螺旋划线的合成矢量。然而,二分之一或全波长的相移,产生直线偏振光,而所有其他的相移产生的扫掠具有各种程度的椭圆度。

当普通和特殊波出现的双折射晶体,它们具有各自的强度的总和的总光强的相互垂直的平面中振动。由于极化波电矢量振动在垂直的平面,海浪,是不是能够接受干扰。这一事实的后果双折射物质的能力,以产生图像。干扰只能发生在两个波的电矢量振动期间交叉在同一平面上,以产生一个变化的合成波的幅度(用于图​​像形成的规定)。因此,是双折射的透明标本将是不可见的,除非它们是交叉的偏振器之间,通过椭圆和圆极化波最靠近观察者的偏振器的轴线平行的组件检查。这些组件能够产生波动幅度产生对比度和摆脱线偏振光的偏振片。

偏振光的应用

其中最常见和实用的应用程序的偏振是液晶显示器(LCD)中使用的许多设备,包括手表,计算机屏幕,定时器,时钟,和别人的主机。在这些显示系统是基于棒状液晶分子的电场和极化的光波的相互作用时。液晶相在基态时,存在被称为胆甾醇,在其中的分子取向层,每个连续的层稍扭曲以形成螺旋形图案(图9)。当极化的光波与液晶相的波相对于入射波的大约90度的角度的“扭曲”。这个角度的确切大小的螺距的胆甾醇液晶相,这是依赖于分子的化学成分(它可以是由小的分子结构改变微调)是一个函数

polarized light figure9

液晶显示设备的基本应用的一个很好的例子,可以发现在七段液晶数字显示(如图9所示)。在这里,液晶相被夹在两块玻璃板之间有电极连接的,图例中所示的那些类似。在图9中,在玻璃板配置有七个黑色电极,可单独充电(在实际的器件中,这些电极是透明的浅)。在垂直方向上偏振的光通过偏振片1,当没有电流施加到电极上时,液晶相诱导一个90度的“扭曲”是水平极化的光通过偏振器2,使之在通过的方向垂直于偏振片1。这种光可以形成一个七段在显示屏上。

当电流施加到电极上,与液晶相电流,并失去了胆甾醇的螺旋形图案。带电电极的光通过没有被扭曲,并通过偏振器2被阻塞。通过协调的七个正电极和负电极上的电压,显示的是能够呈现数字0到9。在这个例子中的右上和左下的电极的收费是挡光通过,从而形成数字“2”的显示装置(图中看到逆转)。

在某些化学品的光学活性的现象源于旋转偏振光平面的能力。包括在这一类的许多糖,氨基酸,有机天然产物,某些晶体,和某些药物。旋转,测得的溶液放置在仪器的交叉的偏振器之间的对象的化学称为偏光镜。在1811年第一次观察到由法国物理学家多米尼克阿拉戈,光学活性的生化过程中的各种分子结构的几何形状的支配它们之间的相互作用中起着重要的作用。化学品,在顺时针方向上旋转偏振光平面的振动被称为右旋,而那些在反时针方向旋转的光被称为左旋两个具有相同的分子式,但不同的光学性能的化学品被称为光学异构体,在不同的方向的偏振光的平面旋转。

可以利用非对称的结晶,当电场被施加到表面上,以产生偏振光。一个常见的科学设备,它采用这个概念被称为一个普克尔盒,它可以在与偏振光的偏振方向改变90度一起使用。普克尔盒可以开启和关闭非常迅速通过的电流,并经常被用来作为快速快门,让光线通过非常短暂的时间(纳秒不等)。如图10所示,是通过普克尔盒(黄色波)偏振的光通过的图解表示。从中心区域的细胞发出绿色和红色的正弦光波代表光偏振光的垂直或水平。当该信元被关闭,偏振光的影响,因为它通过(绿色波),但激活或导通时,电矢量的光束偏移了90度(红波)。有非常大的电场的情况下,具有一定的液体和气体的分子可以表现为各向异性晶体中相同的方式对齐。 克尔盒,设计房子的液体和气体,而不是晶体,还经营改变角度的偏振光。

polarized light figure10

为偏振光的其他应用程序包括上面所讨论的宝丽来太阳镜,以及用于相机镜头的特殊的偏光滤镜的使用。各种科学仪器利用偏振光,要么发出的激光,或通过极化的白炽灯和荧光灯的来源由一台主机的技术。有时使用偏光室和舞台灯光,以减少眩光并产生更均匀的照度,并佩戴眼镜赠送一个明显的层次感,立体电影。在正交偏光甚至动用太空服进入宇航员的眼睛小睡期间,来自太阳的光的机会大幅降低。

极化光在光学显微镜的许多方面是非常有用的。偏振光显微镜来观察和拍摄标本,是可见的,主要是由于它们的光学各向异性的字符。各向异性材料的光学性能随通过的光的传播方向。为了完成这一任务,在显微镜必须配备两个偏振器,定位在光路中的某个地方之前的试样,和分析器(第二偏振片)之间的客观的后孔观察管中的光学路径下或摄像机港口。

的双折射(或双折射率的)试样产生两个​​独立的波分量是相互垂直的平面偏振的平面偏振光的相互作用而产生的图像对比度。这些组件的速度是不同的,不同的传播方向通过试样。退出后的试样,光分量的相位和扫的垂直于传播方向上的一个椭圆形的几何形状,但通过和相消干涉复合时,通过分析仪。偏振光显微镜的对比度增强技术,提高与双折射材料时,相对于其他技术,如暗视野,明视野照明,微分干涉对比,相衬,霍夫曼调制对比度,和荧光获得的图像的质量。此外,使用偏振光允许矿物质和类似材料的光学性质的测量可以帮助的分类和鉴定的未知物质。