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尼康显微镜,偏振光的干扰

2013-11-13  发布者:admin 

显微镜的图像的形成依赖于两个关键的光学现象:衍射和干涉之间复杂的相互作用。 的标本的光通过散射和衍射成微小的细节和功能存在于试样中的发散波的。 由试样散射的光的发散被捕获的目标和聚焦到中间图像平面,其中叠加的光波通过的过程中, 干扰重组或求和,以产生一个放大的图像的标本。

发生的衍射和干涉的表面上密切的关系,因为它们实际上是表现为相同的物理过程,并产生表面上是相互影响的。 我们大多数人观察到某种类型的光学干涉几乎每天都有,但通常没有意识到事件背后常常千变万化的色彩显示时产生的互相干扰光波在玩。 干扰的最好的例子之一的是,证明了从油浮在水面上的膜反射的光。 另一个例子是一个肥皂泡(如图1所示),这反映了靓丽的色彩频谱时,由天然或人造光源照亮的薄膜。

在一个肥皂泡的颜色的动态的相互作用来源于同时反射的光的内侧和外侧表面的极其薄的肥皂膜。 非常接近的两个表面(相隔只有几微米),并从内表面反射的光干扰和相消的外表面反射的光。 干扰的影响被观察到,因为气泡的内表面反射的光必须移动的外表面反射的光比,和皂膜厚度的变化,产生光波必须前往到达我们的眼睛的距离相应地有所不同。

当从皂膜重组的内表面和外表面的反射波,它们将互相干扰,或者删除或加强破坏性或建设性的干扰(图2中所示)的一部分的波长的白色光由。 其结果是令人眼花缭乱的显示颜色,似乎不停地转动,因为它的泡沫膨胀和收缩风电流沿表面。 只需转动肥皂泡,或移动靠近或远离,导致颜色改变,甚至完全消失。 如果额外的行驶距离从内表面反射的光波的波长相差的外表面弹跳正好等于,则光波将重组建设性地形成鲜艳的色彩。 波与对方的步骤,即使是由一些波长的小数部分的区域,破坏性干扰效应将开始发生,衰减或取消的反射光(和颜色)。

音乐,电影和电脑爱好者的干扰现象也暴露了他们每次装入一个紧凑的音频播放器或CD-ROM驱动器的磁盘插入。 紧凑型或数字视盘紧密排列的螺旋轨道上包含了一系列的土地利用编码的音频和/或视频序列包含在磁盘上的数字档案。 这些轨道非常接近的间距模仿超细线衍射光栅产生壮观的彩虹般的色彩效果,普通的白色光从表面反射时。 肥皂泡一样,颜色来自弹跳从邻近的磁盘上的磁道的反射光的波之间的干扰。

干扰是负责显示的蜂鸟,各种美轮美奂的蝴蝶甲虫和其他昆虫的翅膀蒙上了一层金属光泽,和几个物种往往灿烂的虹彩着色。 例如,钻石甲虫的翅膀覆盖一个微小的纵横交错的衍射光栅具有约2000每英寸线。 从甲壳虫的翅膀反射的白色光产生的干涉图案源自一个紧凑的磁盘表面的一个惊人的频谱显示。 龟甲虫,其中有多个几丁质层组成的右翼外壳,使他们在反射光虹彩创建了类似的效果。 有趣的是,这种昆虫可以改变薄膜的水分含量,以产生厚度的变化,改变从金红铜的主要反射干涉色。

另一个引人注目的例子自然发生的干扰, 形态didius的蝴蝶在亚马逊雨林中茁壮成长呈现出虹彩看到在昆虫世界最美丽的形式之一。 激烈的蓝翼的颜色是固定去鳞分层蝴蝶的翅膀颜色生产结构的后果。 每个规模是由两个片状的,非常薄的薄片,上部和下部,与垂直杆分开的空隙隔开。 片状支持一个更小的网络,圣诞树形脊板或分支机构从中央秸秆横向伸出。 薄层的几丁质的分离距离等于到二分之一波长的蓝色光通过空气空间的脊产生的模拟矩形板的一个自然的衍射光栅。 的脊演变与反射板进行和相消干涉的光波在正确的时间间隔的间隔。 其结果是一个深蓝色闪光的颜色,几乎覆盖了整个机翼结构,虽然没有蓝色的光线实际上是反映从翅膀上的鳞片。

切合干扰的经典方法包括描绘图形重组的两个或两个以上的振幅,波长和相对相移的曲线图中的正弦光波的介绍(参见图4)。 实际上,当两个波相加,所产生的波的振幅值,或者是通过建设性的干扰增加,或通过相消干涉减弱。 为了说明效果,考虑一个对光波的协调性,从相同的源(具有相同的相位关系),一起旅行平行(图4中的左手侧)提出了关于。

如果从每个波的电场矢量(垂直于传播方向)所产生的振动是相互平行的(实际上,在同一平面上振动向量),然后可结合的光波,并进行干扰。 如果向量不位于在同一平​​面上,并在90度和180度之间的角度相对于彼此在一些振动,则波不会彼此干扰。 图4中示出的光的波都被认为是有振动电场矢量在平面中的页面。 此外,所有的波的波长相同,是相干的,但相对于振幅变化。 图4的右手侧上的波浪相对于彼此具有180度的相位移。

假设所有符合上面列出的标准,那么波可能会干扰建设性或破坏性产生一个结果波,增加或减少的幅度。 如果在波峰的一个配合的其他的波峰,波的振幅从原来的两个波的幅度决定的算术总和。 例如,如果这两个波的振幅相等时,得到的振幅加倍。 在图4中,光波A可以建设性干涉光的B浪,因为两个相干波在同一阶段,不同的只是在相对 ​​振幅。 记住,光强度幅值的平方成正比。 因此,如果振幅增加一倍,强度四倍。 这种添加剂的干扰被称为建设性的干扰,导致了新一波的幅度增加。

如果一个波的波峰与其他波的波谷(有效波是180度,或半个波长,彼此同相,满分)相吻合,所得到的振幅降低,或什至可以完全取消,右侧图4所示的A浪和C浪。 这就是所谓的破坏性干扰 ,并且通常会导致下降的幅度(或强度)。 在情况下的幅度是相等的,但180度的相位差,波消除对方出示的色彩,完全缺乏或完全黑暗。 图4中提出的所有的实施例描绘在相同方向传播的波,但在许多情况下,在不同的方向行进的光波可以简要地满足,并进行干扰。后浪已经过去了对方,但是,他们将恢复其原来的课程,具有相同的振幅,波长和相位它们之前会议。

现实世界中的干扰现象并未明确定义为图4中所示的简单情况。 例如,大范围的色彩表现出的一个肥皂泡的查询结果从两个长和相消干涉,在不同的振幅,波长和相对相位移的光波。 具有大致相等的振幅波,但具有不同的波长和相位,可以产生一个宽谱得到的颜色和振幅的组合。 此外,当两个波的幅值相等而波长是180度(半波长)的淘汰与对方满足时,他们不实际破坏,在图4中建议的。 所有这些波的光子能量存在于必须以某种方式收回或重新分配一个新的方向,根据能量守恒的规律(光子是不能够自我毁灭)。 相反,在会议中,光子被重新分配的区域,允许建设性的干扰,所以应被视为光波和光子能量的再分配,而不是自发的建设或破坏的光的效果。 因此,简单的图表,例如,在图4中示出了一个,只应被视为与在一个特定的方向行进的光能量的计算工具,帮助。

托马斯·杨的双缝实验

在早期物理学的先驱者之一,是一个19世纪的英国科学家托马斯·杨,令人信服地证明了波浪状的字符通光干扰的现象,采用衍射技术。 年轻的实验提供了相反的证据科普的时期,认为这是基于牛顿的微粒(粒子)理论,光的性质。 此外,他还负责结论由不同颜色的光具有不同长度的波,和从三基色:红,绿,和蓝色的不同数量的光混合在一起,任何颜色都可以通过以下方式获得。

在1801年,杨进行了古典和经常被引用的双缝实验提供了重要的证据表明,可见光具有波浪状的特性。 他的实验是基于假设,如果光线是波浪状的性质,那么它应该的行为方式类似于在一个池塘的水波纹或波浪。 两个对立的水波见面时,他们应该在一个特定的方式来加强或破坏对方反应。 如果两个波的的步骤(波峰满足),那么他们就应该相结合,使一个更大的浪潮。 与此相反,当两个波满足步骤(一个波峰符合另一个槽),波浪应该取消,并产生在该区域中的平坦的表面上。

为了检验他的假设,年轻人想出了一个巧妙的实验。 利用太阳光衍射半相干照明源,通过一个小的缝隙,他预计到另一个屏幕,其中包含两个并排放置的缝隙散发出的光线从缝隙。 光通过狭缝,然后下降到第三个画面(检测器)。 年轻观察,当狭缝很大,间隔相距甚远,并关闭检测屏幕,然后在屏幕上形成两个重叠补丁的光。 然而,当他降低狭缝的大小紧密联系起来,并给他们带来了,光通过狭缝和到屏幕上产生不同的颜色带串行顺序分离暗区。 青年创造了这个词来形容乐队的干涉条纹,并意识到这些彩色带也只能产生光像波。

图5中所示的双缝实验的基本设置。 来自阳光的红色过滤光线首先通过狭缝,实现了半相干态。 排出的第一狭缝的光波,然后入射在第二阻挡位置接近的一对狭缝。 探测器屏幕背后的狭缝放置在该地区已通过双狭缝捕捉光线重叠,并在屏幕上明亮的红色和暗干扰频段的格局变得可见。 此类实验的关键是从两个狭缝在屏障处衍射的光的相互连贯性。 虽然杨实现通过阳光从第一狭缝衍射的一致性,任何信号源的相干光(如激光),可以被取代的单狭缝的光通过。

影响双狭缝的光被分成了两个新的波阵面是完美的步骤与对方相干波前。 从每个狭缝的光波必须移动的距离相等,以达到图5中所示的画面上的A  ,要达到这一点,仍然在步骤或具有相同的相位位移。 由于两波到达点à具有建设性干涉的必要规定,还应该加上在一起,产生一个明亮的红色屏幕上的干涉条纹。

与此相反,也被定位在屏幕上的B点等距离的两个狭缝的,所以光必须移动更大的距离从一个狭缝,比从其他到达B点。 从狭缝发出的波接近到B点(例如狭缝和图5的左手侧上的B点)不具有据前往到达其 ​​目的地,并从狭缝传播的波。 其结果是,从最近的狭缝波应该稍微超前波到达 B处从最远的狭缝。 因为这些波将不会到达B点处的相位(或在彼此的步骤),它们将经受相消干涉,以产生一个在屏幕上的暗部区域( 干涉条纹 )。 干涉条纹图案并不局限于具有双缝配置的实验,但可以通过任何情况下,在光分裂成波,可以取消或加在一起的结果。

年轻的实验的成功有力地证明赞成波浪理论,但并没有立即接受他的同龄人。 该事件在背后如肥皂气泡和牛顿环(将在下面讨论)中观察到的颜色的彩虹现象,虽然解释了这项工作,是不是那些谁坚定地认为,光传播的粒子流的科学家立即明显。 其他类型的实验以后被设计并进行演示的波浪状的性质的光的干涉效应。 最值得注意的是劳埃德·汉弗莱,单镜实验和双镜和奥古斯丁菲涅尔双棱镜实验设计单轴双折射晶体的偏振光。 菲涅耳的结论,与具有相同的偏振方向的光束,偏振光束之间的干扰,只能获得。 效果,具有其振动方向的偏振光波面向彼此平行地相结合,产生的干扰,而垂直于不干扰。

艾萨克·牛顿爵士,著名的十七世纪英国数学家和物理学家,研究干扰现象的首批科学家之一。 他很好奇如何产生肥皂泡的表面上绚丽夺目的色彩,尤其是考虑气泡组成的无色液体肥皂溶液。 牛顿正确地推测,可能是由于气泡的内表面和外表面接近的接近度,颜色和设计的实验方法设计,以模仿所观察到的彩色花样。 牛顿在他的著 ​​名的牛顿 ​​环的实验中(参见图6)中,放置一个具有平坦的玻璃板的曲率半径大的凸状透镜,并通过共同持有透镜和玻璃板的一个黄铜帧施加压力,但仍然由一个非常薄的分离空隙充满了空气,并具有相同的尺寸,可见光。 当他观看了板反射阳光,他观察到一系列的同心带浅色和深色区域。

循序渐进惊讶牛顿环。 中心附近的接触点,环较大,并已下令开始用黑色的彩色图案,然后逐步通过淡淡的蓝色,白色,橙色,红色,紫色,蓝色,绿色和黄色。 频带有更大的强度和厚度的中心,更薄的增长,因为它们向外进展,最后黄铜帧边缘处的声音。 牛顿还发现,如果他与红光照亮了玻璃,颜色改变,产生交替的红色和黑色的线条。 以类似的方式,产生蓝色光的蓝色和黑色的环,而产生绿色光的绿色和黑色的环。 此外,牛顿环之间的间距取决于颜色。 蓝环比绿环,这是紧密联系起来比红五环(相同的效果,将观察到的干涉条纹间距的双缝实验,如果采用不同的彩色滤光片)紧密联系在一起。

牛顿确认,环表明存在某种程度的周期性,但在实验结果感到困惑。 事实上,形成环的物理基础忍受了75年后,牛顿的死亡成了一个谜。 它不是直到杨进行双缝实验,科学家们认识到的反射光从顶面和底面的玻璃变得叠加或组合,并产生干扰模式,显示为色环。 今天,这个原则经常使用由透镜制造商测试大的抛光表面的均匀性。

当他们提出一个统一的背景,干扰分布条纹(如杨氏双缝实验或牛顿环装置中所观察到的)不同的强度。 的强度的可见度(V)是由Albert迈克尔逊,二十世纪早期物理学家,定义的边缘的强度除以它们的和的最大值和最小值之间的差异:

其中I(max)表示测得的最大强度,I(min)是对应的最小强度。 在此公式中,理想化的边缘强度始终是零和一之间,然而在实践中条纹的可见度是取决于几何设计的实验,并利用光谱范围。

干扰滤波器

荧光显微镜,采用经典的广角观察单独或结合激光扫描共聚焦和多技术的爆炸性的兴趣,导致了新的过滤技术的快速发展,旨在使显微镜选择性地激发荧光基团,并观察他们的二次荧光最低背景噪音。 对于这些应用,具有多个电介质材料的薄涂层的过滤器,通常被称为干涉滤光片 ,成为给出用于波长选择的机制。

在一般情况下,干涉滤光片构成的面状的光学玻璃,涂有介电材料的层,也可以二分之一或四分之一波长厚,通过选择性地阻塞和/或增强特定波长频带的传输通过结合​​作用的长和相消干扰(图7中所示)。 该过滤器的设计,发送一个有限的范围内的波长,通过发射和反射的光波之间的干涉增强。 不选择过滤器的波长不互为因果,破坏性干扰或反射从过滤器除去。

干扰过滤器普遍采用的电介质材料是不导电的金属盐类和真正的金属,具有特定的折射率值。盐,如硫化锌,氟化铝钠,镁和氟化镁,以及金属如铝,此类型的过滤器的设计和构建的材料给出几个。 干涉滤光器,很像在虹彩昆虫或上面讨论的肥皂薄膜的薄的几丁质结构,依赖于存在不同折射率的两个非常薄的电介质材料之间的界面处的反射,透射和促进入射光之间的干扰的物理性质波。 波长的选择取决于用于构建筛选薄层涂料的介电层厚度和折射率。

干涉滤光器上的涂料制造单位称为空腔 ,每个空腔含有4或5个交替层的分离介质的盐,由间隔层从其他空腔。 型腔数目决定了整体的精度的波长选择。 增加腔,例如,目前的高性能过滤器具有至多10-15腔能产生单一波长的带宽的数量可以显着地提高了过滤器的性能和波长选择。 刺激这些非常有选择性的过滤器在追求新的荧光染料的研究,极大地推动了搜索流行的具有生物活性的绿色荧光蛋白(GFP)的基因突变的变种。

干扰产生的全息

20世纪40年代中后期,由Dennis Gabor的干扰全息图的原则和背后的理论概述,但他缺乏成熟的相干激光源要产生这些伪三维图像。 激光器的出现在现场,于1960年,两年后,密歇根毕业的学生法学Upatnieks和埃米特利斯大学成功生产第一全息图。 全息图是基本上均采用两套相干光波的照相记录。 一组波被反射到照相胶片的成像(类似于传统摄影中使用的机制)的对象,不反射,或通过,该对象的情况下,而另一组波到达上面的膜。 当两套激光波终于满足上面的膜平面,它们会产生干涉图案(条纹)的记录,可作为​​三维图像。

在反射全息图,一个参考对象的照射激光束(通常是一个氦氖激光器采用该占空比的)反射到从相对的两侧的厚膜。 这些光束干涉产生亮区和暗区,相互作用,从而产生三维图像出现。反射全息图,发现越来越多的应用,如驾驶执照,信用卡,和识别徽章的身份标记,以防止伪造。 通常情况下,它们显示的标志,识别号码,或特定的图象,使用激光光的三基色的彩色图像。 每个激光器产生一个唯一的干涉图案,图案加在一起以形成最终的图像。 因为他们几乎是不可能复制的,是有价值的反射全息图的安全设备。

透射全息图使用的给定值和对象的照明光束在同一侧的薄膜,以产生类似的效果,即从反射全息图(图8)中的一项。 激光波的一组是用来照亮被成像的对象,它反映的波和散射在类似的方式与普通照明。 此外,偏振的参考激光束施加在全息膜平面平行的方向上。 散(反射)的光波同时到达胶片乳剂,在那里他们与参考波干扰条纹创造的形象。 透射全息图有许多应用,但最有趣的是抬头显示飞行员使用。 在传统的飞机驾驶舱,飞行员必须不断地转移他的注意力之间的窗口和控制面板。 一个三维的飞机控制透射全息图与全息显示,反映到一个磁盘上的位置靠近驾驶员的眼睛,使飞行员可以浏览的控制和地平线同时。

结论

此外肥皂泡,美丽的彩虹色的昆虫,和上面所讨论的许多其他例子,可见光干扰的现象在自然界发生的频率很高,在各种各样的应用中往往是利用人的优势。 例如,彩虹般的颜色光谱上观察到里面的鲍鱼壳(图9)是由一个坚硬的矿物称为珍珠层珍珠母贝层非常薄。 从连续层反射的光发生干涉,以产生类似的方式从几丁质的多个层上观察到一些甲虫的昆虫的外骨骼中的色彩的显示。 以同样的方式,银色的鳞片上一些鱼类产生由于多层不同厚度的彩色干涉图样。

孔雀羽毛的虹彩眼睛是另一个例子的行动中的干扰(图9)。 微小的杆状结构的蛋白质黑色素被安排在一种有序的方式,从不同角度观察时,产生独特的干涉色。 在矿物世界中,虹彩蛋白石组成的微观硅酸盐球堆放在常规图层。 每个球反射入射光的反射光从相邻领域产生的颜色的石头变成一个精致的阵列干扰。

干扰效应的显著的和非常有用的应用是精密激光仪器在很长的距离的测量结果。 可以用来测量非常小的距离,在一个范围内的许多英里,一个任务是通过分裂的激光束,并从彼此非常靠近的相邻表面反射回的激光系统。 当重新将分离的激光束,所产生的干涉条纹的分析将产生显着的两个表面之间的距离的精确计算。 这一技术也被普遍使用的激光制导系统来控制飞行轨迹的载人和无人飞机,火箭和炸弹。

干扰也发生在其他媒体,如声波(空气中)和一个站在水池的水波纹或波浪诱导。 一个非常简洁,易于干涉实验可以在家里进行,水槽装满水的使用和两个大理石。 首先,让水变得非常静止,然后同时下降弹珠入水(相隔约10-14英寸),从大约一英尺的高度。 正如光波,两个弹珠会诱发一系列的海浪在水中,在各个方向发出。 弹珠进入水最终会发生碰撞的点之间的区域中形成的波。 碰撞一步,他们将建设性地加在一起,做出更大的浪潮,并在那里他们碰撞出的步骤破坏性,他们将相互抵消。

干扰工作在许多方面影响的事情,我们在我们的日常生活中看到。 所以经常发生的现象往往被忽视,并视为理所当然的光波之间的相互作用是非常接近的。 然而,从重大贡献,物理图像形成和无数耸人听闻的昆虫伪装,光晕和日冕大气中的美丽的彩色图案,颜色光波的干扰,有助于使我们周围的世界。

Visibility (V) = (I(max) - I(min))/(I(max) + I(min))