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                                                                尼康顯微鏡:偏振光的簡介

                                                                2019-06-12 19:14:06 104

                                                                陽光和幾乎所有其他形式的天然和人工照明產生的電場矢量在所有平面是相對于傳播方向的垂直振動的光波。如果電場矢量被限制在一個單一的平面,通過過濾的光束與專門的材料,則光被稱為平面相對于傳播方向上的線偏振,并且所有在一個單一的平面中振動的波被稱為平面平行平面極化

                                                                polarized light figure1

                                                                人類的眼睛沒有能力來區分隨機取向和偏振光,平面偏振光只能穿用偏光太陽眼鏡時,通過檢測到的強度或色彩效果,例如,通過降低眩光。實際上,人類不能區分高對比度??的偏振光顯微鏡捕獲的數字(或膜)相同的試樣相同的圖像中觀察到的真實圖像,然后與未極化的光投射到屏幕上投影。偏振光的基本概念的示出圖1中的非偏振光束入射的光的兩個線性偏振器。電場矢量中描繪了在所有方向上(360度的正弦波振動的入射光束,雖然只有6個波,以60度的間隔隔開,包含在圖中)。在現實中,入射光的電場矢量垂直于振動的傳播方向,在遇到第一個偏振器之前,在所有平面相等的分配。

                                                                圖1中所示的偏振器,實際上是包含在一個單一的方向取向的長鏈聚合物分子的過濾器。只有是在相同的平面內取向的聚合物分子振動的入射光被吸收,而直角振動的光通過第1偏振濾光器的聚合物平面。第一偏振器的偏振方向與入射光束是垂直方向,所以它會通過只具有垂直的電場矢量的波。通過第一偏振片的波隨后由所述第二偏振器阻擋,因為這個偏振器中的光波的電場矢量相對于水平方向。使用兩個偏振器相對于彼此成直角定向的概念通常被稱為交叉偏振和偏振光顯微鏡的概念的基礎。

                                                                偏振光的存在的第一個線索浮出水面1669左右,Erasmus前庭大的發現,晶體礦物冰洲石(方解石無色透明的各種)查看對象時,通過在透射光中的結晶產生雙像。在他的實驗中,前庭還觀察到一個相當不尋常的現象。當方解石晶體是圍繞一個特定的軸線轉動,其中一個圖像在一個圓圈周圍的其他的移動,提供了強有力的證據表明,晶體以某種方式分裂成兩個不同的光束光。

                                                                polarized light figure2

                                                                一個多世紀之后,法國物理學家艾蒂安平邑審議通過方解石晶體反射光圖像,并注意到,在某些情況下,圖像將消失。他錯誤地推測,普通日光燈是由兩種不同的燈光形式的方解石晶體,通過不同的路徑。它以后被確定的差的發生是由于光通過晶體的極性。日光是由在所有平面振動的光,而反射光被通常被限制在一個單一的平面,平行光被反射的表面,從該表面。

                                                                偏振光可以從共同的物理過程偏離的光束,包括吸收,折射,反射,衍射(或散射)的過程被稱為雙折射(雙折射屬性)。從平坦表面的介電(或絕緣)材料反射的光往往是部分偏振光,振動的材料的表面平行的平面內的反射光的電矢量。常見的例子,表面反映偏振光原狀水,玻璃,板材塑料和公路。在這些實例中,光波的電場矢量平行于表面的反射在更大程度上有不同的取向。絕緣表面的光學特性的確定確切的偏振光的反射光量。鏡子是沒有良好的偏光片,雖然廣泛的透明材料作為偏振片非常好,但在一定范圍內,只有當入射光的角度是面向。的一個重要特性的反射的偏振光的偏振的程度取決于光的入射角,極化的增加量被用于減小入射角觀察。

                                                                當考慮在平坦的絕緣表面上的非偏振光的發生率,是一個獨特的角度,在該角度的反射光的波都是成一個單一的平面偏振光。這個角度通常稱為布儒斯特角,并且可以很容易地利用下面的公式用于行進的光的光束通過空氣計算:


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

                                                                n在媒體中被反射的光的折射率θ)的入射角,而θR)中的折射角。通過檢查該公式時,它變得明顯,一個未知的樣品的折射率,可以由布儒斯特角。此功能是特別有用的不透明的材料,具有高的吸收系數,透射光的情況下,使通常的斯涅耳定律式不適用。確定的金額通過偏振反射技術還簡化了搜索在一張紙上未標記的偏光片的偏光軸。

                                                                polarized light figure3

                                                                布儒斯特角的原理如圖3所示,具有比空氣更高的折射率的透明介質的平坦面反射的光線從一個單一的射線。只有兩個電矢量的振動面的入射光線繪制,但是用于表示在所有平面的光的振動的傳播方向垂直。當光束到達在一個臨界角(布儒斯特角,表示由圖3中的變量θ的表面上,反射光束的偏振度為100%,與躺在垂直于入射面的電矢量的方向并平行于所述反射面。于入射面的定義的事件中,折射和反射波。在90度角反射,折射光線的方向的,僅是部分偏振光。

                                                                對于水(折射率為1.333),玻璃(折射率為1.515),鉆石(折射率為2.417),臨界角(布魯斯特)53,57和67.5度,分別。布儒斯特角從公路路面反射光往往產生惱人的和令人分心的眩光,可以證明很容易通過觀看遠處的一條公路或一個炎熱,陽光明媚的日子,一個游泳池表面的一部分。現代激光器通常利用布儒斯特角的激光諧振腔的端部附近的位置的上面的鏡面反射產生直線偏振光。

                                                                如上所討論的,明亮的反射水平的表面,如在高速公路或在一個池中的水,源自部分偏振光,在與地面平行的方向上的電場矢量的振動。可以阻止該光通過偏振濾光器在垂直方向上取向,如在圖4中示出,有一對偏光太陽鏡。鏡片的太陽鏡中,垂直取向相對于幀的偏振濾光器。在圖中,藍色的光波電場矢量為本在相同的方向上偏振透鏡,從而,通過。與此相反,紅色光的波的振動方向垂直于過濾器的方向,并阻斷透鏡。在陽光下,或在沙灘上駕駛時,在路面或水面的表面反射陽光,導致眩光,幾乎可以是致盲的偏光太陽鏡是非常有用的。偏振濾光器也是很有用的,在攝影中,在那里他們可以連接到相機鏡頭的前面,以減少眩光,增加照片或數字圖像的整體圖像的對比度。相機上使用的偏振器一般被設計,使他們能夠在使用中旋轉,以達到預期的效果,在各種照明條件下,用安裝環。

                                                                polarized light figure4

                                                                始建于十九世紀初的第一個偏振濾鏡之一,由法國科學家弗蘭鏾阿拉戈到偏振光的性質,是一個積極的研究者。阿拉戈調查在天空中從各種來源的原光的極性,并提出了一種理論,預測光的速度應該降低,因為它傳遞到一個密介質。他還曾與奧古斯丁菲涅爾調查偏振光的干涉,并,發現面向偏振光振動方向互相垂直的兩束不會發生干擾。阿拉戈的偏光過濾器,設計,建于1812年,是從堆棧玻璃板壓在一起。

                                                                今天使用的偏光材料大部分來自埃德溫H.土地博士于1932年發明的合成薄膜,很快超越了所有其他材料為介質的首選生產平面偏振光。以產生薄膜,微小的微晶硫酸iodoquinine的,在相同的方向上取向等,都包含在一個透明的聚合物薄膜,以防止遷移和重新調整的結晶。土地開發的片材含有市場上銷售,商品名:寶麗來(注冊商標),這已成為公認的通用術語,這些片的偏振膜現在任何設備能夠選擇平面偏振光自然(非偏振)白光稱為極性偏振片,這個名字在1948年首次推出AF哈里蒙德的。由于這些過濾器是差分傳輸,這取決于它們的方向的偏振軸相對于光線的能力,它們顯示出一種形式的二色性,通常被稱為二向色濾光片

                                                                偏光顯微鏡首次推出在十九世紀,但不是采用偏振傳輸材料,光從堆棧設置在57度角入射平面玻璃板的反射偏振。購買,更高級的儀器依賴于專門切割和膠合在一起以形成一個棱鏡的一個晶體的雙折射率的材料(如方解石)。甲進入這種類型的結晶的白色非偏振光束分離為兩個部分,在互相垂直(正交)方向極化。

                                                                水晶具有雙折射新興的光線被稱為普通射線,而另一種是所謂的非尋常光尋常光折射晶體中通過靜電引力在更大程度上影響膠合表面的全內反射的臨界角。其結果是,這種射線被反射棱鏡和消除由吸收的光的裝載。異常光線穿過棱鏡,并成為線性偏振光束直接通過冷凝器和試樣定位在顯微鏡載物臺上。

                                                                幾個版本基于棱鏡偏光器一度被廣泛使用,并得到了這些后,他們的設計師的名字命名。威廉·尼科爾,誰第一個裂解和膠合在一起兩個冰洲石晶體與加拿大香脂在1829年被命名后,最常見的偏振棱鏡(如圖5所示)。尼科爾棱鏡最初是用來測量雙折射的化合物的極化角,從而導致新的發展,可在偏振光和結晶物質之間的相互作用的理解。

                                                                polarized light figure5

                                                                圖5中,是一個典型的尼科爾棱鏡建設的一個例證。雙重折射晶體雙折射材料,通常方解石,切斷沿平面標記ABCD,然后粘合在一起的兩半,重現原來的晶體形狀。白色光的非偏振光的光束進入晶體從左側被分裂成兩部分組成,在相互垂直的方向極化。這些光束之一(標記為尋常光線)被折射在更大程度上影響了骨水泥的邊界以一定角度,在其通過最上面的晶面的棱鏡的全反射的結果。另一束異常光線被折射在較小的程度,并通過作為一個平面上的光的偏振分束棱鏡退出。

                                                                其他棱鏡的配置建議,并在十九世紀和二十世紀初建造,但目前不再用于生產偏振光在現代應用。尼科爾的棱鏡是非常昂貴和笨重,有一個非常有限的光圈,這將限制其使用,在高放大倍率。相反,偏振光現在最常用的具有特定的振動方向的一組中的過濾介質(例如偏光片),其中過濾器的透射軸垂直的方向的線性聚合物的結晶由光吸收產生的偏振材料。

                                                                在現代化的偏振片,入射光波具有平行的晶軸的偏振器的電矢量振動被吸收。的入射波的矢量方向傾斜,但不垂直于晶軸,并僅會部分地吸收。斜光波的吸收度取決于它們影響偏振器的振動角。這些光線具有角度接近平行的晶軸相對于將被吸附到更大的程度比具有接近垂直的角度。最常見的的寶麗來濾波器(稱為H系列)只有約25%的入射光束的傳輸,但傳輸的光線的偏振的程度超過99%。

                                                                一些應用程序中,最顯著的偏光顯微鏡,依靠正交偏光檢查雙折射或雙折射標本。當兩個偏振器,其透射軸交叉的方向彼此垂直的光通過第一偏振器完全熄滅,或吸收,由所述第二偏振器,這是通常被稱為分析儀質量的二向色的偏振濾光器的光吸收確定到底有多少隨機光熄滅,是利用在一對交叉的偏振器時,被稱為偏振器消光系數定量地,消光系數確定時,通過一對偏振器的透射軸與通過的量,當它們被相互垂直的定位方向平行的光的比例。在一般情況下,在10,000和100,000之間的滅絕因素須出示漆黑的背景和偏光顯微鏡最大可觀察標本雙折射(對比度)。

                                                                polarized light figure6

                                                                分析儀相對于偏振器的方向是由光通過的量的劃線對高品質的偏振片。當偏振片方向互相垂直,他們表現出最大程度的滅絕。然而,在其他的角度,不同程度的消光,如在圖6中示出的向量圖。利用該分析儀量來控制光通過交叉對,并且可以在光路中的旋轉來實現不同的振幅的偏振光通過。在圖6中(a)所示,具有平行的偏振器和分析器的透射軸和光通過偏振器和分析器的電矢量的幅度相等,相互平行地。

                                                                分析儀的透射軸旋轉30度,偏振器可減少對通過的光的波的幅度,如圖圖6(b)中示出。在這種情況下,透過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數學偏振光的振幅,能夠通過分析儀來確定。通過分析器發送的射線的振幅相等的垂直矢量分量(在圖6(b)所示的黃色箭頭)。

                                                                分析儀的透射軸繼續轉動,相對于起偏器的透射軸的角度為60度,進一步降低了通過分析器(圖圖6(c))所發送的矢量分量的幅度。完全越過當分析儀和偏振器(90度角),垂直分量變得微不足道(圖6(D))和偏光片已達到其最大的吸光值。

                                                                的一對偏振器的光通過的量可以定量描述應用海棠'余弦平方法,作為偏振器的透射軸之間的角度的函數,利用公式:

                                                                I = I(O)COS?2?θ

                                                                其中I是光穿過分析儀(和總的光量,通過對正交偏光)的強度,I(O)是入射偏振器的光的強度,和θ之間的角度透射軸的偏振器和分析器。通過檢查該公式,它可以被確定,當兩個偏振器交叉(θ?= 90度),強度為零。在這種情況下,光通過被偏振片由分析儀完全熄滅。當部分,在30和60度的交叉偏振器,由分析儀透射的光被減少了25%和75%,分別。

                                                                散射光的偏振

                                                                氣體和水分子在大氣中的散射光線四面八方,從太陽的效果是負責藍色的天空,白云,紅色的落日,這種現象被稱為大氣極化取決于分子的大小(氫,氧,水)的光的波長,如于1871年由瑞利散射的光量(稱為瑞利散射)。較長的波長,如紅,橙,黃,不分散,盡可能有效地在更短的波長,如紫色和藍色。

                                                                polarized light figure7

                                                                大氣偏振瑞利散射的太陽光在大氣中的氣體分子的直接結果。當一個光子從太陽和氣體分子之間的影響,從光子的電場誘導(圖7中所示)從分子的偏振光的振動和隨后的再輻射。輻射光被散射成直角的方向上的太陽光的傳播,偏振垂直或水平,這取決于分散的方向。偏振光影響地球大部分是水平極化(超過50%),可以確認一個事實,即通過濾光片觀察天空。

                                                                報告已經浮出水面,某些種類的昆蟲和動物能夠探測到偏振光,包括螞蟻,果蠅和某些魚類,雖然實際上可能更長。例如,一些昆蟲種類(主要是蜜蜂)被認為是采用偏振光導航到目的地。它也被廣泛認為是對偏振光敏感的一些個人,都能夠觀察到一個黃色的水平線盯著垂直的方向時,太陽的方向(的現象稱為海丁格爾刷疊加在藍色的天空計入黃******素蛋白,稱為黃斑,這是居住在人眼凹的分色晶體,使一個人查看偏振光。

                                                                橢圓偏振光和圓偏振光

                                                                直線偏振光,電矢量在一個平面上的垂直于傳播方向的振動,如上面所討論的。自然光源,如日光,人工光源,包括白熾燈和熒光燈的光,發射光的電矢量在空間和時間上是隨機的取向。此類型的光被稱為非偏振光此外,存在一些橢圓偏振光狀態,介于線性和非偏振光,電場矢量轉錄在所有平面的橢圓形的形狀,光波傳播方向垂直。

                                                                不同,平面偏振光和非偏振光,橢圓偏振光的旋轉的“感覺”,指的是電矢量旋轉的方向的光束的傳播(入射光軸)周圍。最終查看時,偏振方向可以是左手或右手,被稱為橢圓極化霸道的屬性順時針旋轉掃描的載體被稱為右手的極化,逆時針旋轉掃描代表左手極化。

                                                                在主要和次要的矢量的極化橢圓軸的情況下,都是平等的,那么光波落入圓極化的范疇,可以是慣用右手或左手的感覺。另一種情況下經常發生,其中所述短軸的橢圓偏振光的電矢量分量變為零,和受光變成直線偏振光。雖然可以實現這些偏振圖案中的每一個與適當的光學儀器在實驗室中,它們也可能會發生(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時產生雙折射晶體是彼此相互垂直的平面極化向量。此外,由于電子的相互作用的差異,每個組件通過晶體的過程中經歷的行程中,相移,通常會出現在兩個波之間。雖然普通和特殊波遵循獨立的軌跡和廣泛分離先前描述的方解石晶體,這不是一般的情況下結晶材料具有光軸事故照明的平面是垂直的。

                                                                polarized light figure8

                                                                一類特殊的材料,被稱為補償延遲板生產橢圓和圓偏振光的一些應用,包括偏光顯微鏡是非常有用的。這些雙折射物質的選擇,因為當其光軸垂直于入射光束的位置,普通和特殊光線遵循相同的軌跡,并表現出相位差的雙折射的程度取決于。由于雙正交波疊加,它可以被認為是一個單一的波具有相互垂直的電矢量的分離元件由一個小的相位差。當載體相結合,通過在三維空間中的簡單的加法,由此產生的波變成橢圓偏振光。

                                                                這個概念是在圖8中示出,所得的電矢量在一個單一的平面中不振動,但逐步光波傳播的軸線周圍旋轉,掃出一個橢圓形的軌跡,顯示為一個螺旋波是在一個角度看時。普通和特殊的波(幅值相等)之間的相位差的大小確定是否矢量掃描時,波的傳播方向上觀看從一個橢圓形或圓形的通路。如果相移可以是四分之一或四分之三波長,那么一個圓形螺旋劃線的合成矢量。然而,二分之一或全波長的相移,產生直線偏振光,而所有其他的相移產生的掃掠具有各種程度的橢圓度。

                                                                當普通和特殊波出現的雙折射晶體,它們具有各自的強度的總和的總光強的相互垂直的平面中振動。由于極化波電矢量振動在垂直的平面,海浪,是不是能夠接受干擾。這一事實的后果雙折射物質的能力,以產生圖像。干擾只能發生在兩個波的電矢量振動期間交叉在同一平面上,以產生一個變化的合成波的幅度(用于圖??像形成的規定)。因此,是雙折射的透明標本將是不可見的,除非它們是交叉的偏振器之間,通過橢圓和圓極化波最靠近觀察者的偏振器的軸線平行的組件檢查。這些組件能夠產生波動幅度產生對比度和擺脫線偏振光的偏振片。

                                                                偏振光的應用

                                                                其中最常見和實用的應用程序的偏振是液晶顯示器(LCD)中使用的許多設備,包括手表,計算機屏幕,定時器,時鐘,和別人的主機。在這些顯示系統是基于棒狀液晶分子的電場和極化的光波的相互作用時。液晶相在基態時,存在被稱為膽甾醇,在其中的分子取向層,每個連續的層稍扭曲以形成螺旋形圖案(圖9)。當極化的光波與液晶相的波相對于入射波的大約90度的角度的“扭曲”。這個角度的確切大小的螺距的膽甾醇液晶相,這是依賴于分子的化學成分(它可以是由小的分子結構改變微調)是一個函數

                                                                polarized light figure9

                                                                液晶顯示設備的基本應用的一個很好的例子,可以發現在七段液晶數字顯示(如圖9所示)。在這里,液晶相被夾在兩塊玻璃板之間有電極連接的,圖例中所示的那些類似。在圖9中,在玻璃板配置有七個黑色電極,可單獨充電(在實際的器件中,這些電極是透明的淺)。在垂直方向上偏振的光通過偏振片1,當沒有電流施加到電極上時,液晶相誘導一個90度的“扭曲”是水平極化的光通過偏振器2,使之在通過的方向垂直于偏振片1。這種光可以形成一個七段在顯示屏上。

                                                                當電流施加到電極上,與液晶相電流,并失去了膽甾醇的螺旋形圖案。帶電電極的光通過沒有被扭曲,并通過偏振器2被阻塞。通過協調的七個正電極和負電極上的電壓,顯示的是能夠呈現數字0到9。在這個例子中的右上和左下的電極的收費是擋光通過,從而形成數字“2”的顯示裝置(圖中看到逆轉)。

                                                                在某些化學品的光學活性的現象源于旋轉偏振光平面的能力。包括在這一類的許多糖,氨基酸,有機天然產物,某些晶體,和某些藥物。旋轉,測得的溶液放置在儀器的交叉的偏振器之間的對象的化學稱為偏光鏡。在1811年第一次觀察到由法國物理學家多米尼克阿拉戈,光學活性的生化過程中的各種分子結構的幾何形狀的支配它們之間的相互作用中起著重要的作用。化學品,在順時針方向上旋轉偏振光平面的振動被稱為右旋,而那些在反時針方向旋轉的光被稱為左旋兩個具有相同的分子式,但不同的光學性能的化學品被稱為光學異構體,在不同的方向的偏振光的平面旋轉。

                                                                可以利用非對稱的結晶,當電場被施加到表面上,以產生偏振光。一個常見的科學設備,它采用這個概念被稱為一個普克爾盒,它可以在與偏振光的偏振方向改變90度一起使用。普克爾盒可以開啟和關閉非常迅速通過的電流,并經常被用來作為快速快門,讓光線通過非常短暫的時間(納秒不等)。如圖10所示,是通過普克爾盒(黃色波)偏振的光通過的圖解表示。從中心區域的細胞發出綠色和紅色的正弦光波代表光偏振光的垂直或水平。當該信元被關閉,偏振光的影響,因為它通過(綠色波),但激活或導通時,電矢量的光束偏移了90度(紅波)。有非常大的電場的情況下,具有一定的液體和氣體的分子可以表現為各向異性晶體中相同的方式對齊。??克爾盒,設計房子的液體和氣體,而不是晶體,還經營改變角度的偏振光。

                                                                polarized light figure10

                                                                為偏振光的其他應用程序包括上面所討論的寶麗來太陽鏡,以及用于相機鏡頭的特殊的偏光濾鏡的使用。各種科學儀器利用偏振光,要么發出的激光,或通過極化的白熾燈和熒光燈的來源由一臺主機的技術。有時使用偏光室和舞臺燈光,以減少眩光并產生更均勻的照度,并佩戴眼鏡贈送一個明顯的層次感,立體電影。在正交偏光甚至動用太空服進入宇航員的眼睛小睡期間,來自太陽的光的機會大幅降低。

                                                                極化光在光學顯微鏡的許多方面是非常有用的。偏振光顯微鏡來觀察和拍攝標本,是可見的,主要是由于它們的光學各向異性的字符。各向異性材料的光學性能隨通過的光的傳播方向。為了完成這一任務,在顯微鏡必須配備兩個偏振器,定位在光路中的某個地方之前的試樣,和分析器(第二偏振片)之間的客觀的后孔觀察管中的光學路徑下或攝像機港口。

                                                                的雙折射(或雙折射率的)試樣產生兩個??獨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產生的圖像對比度。這些組件的速度是不同的,不同的傳播方向通過試樣。退出后的試樣,光分量的相位和掃的垂直于傳播方向上的一個橢圓形的幾何形狀,但通過和相消干涉復合時,通過分析儀。偏振光顯微鏡的對比度增強技術,提高與雙折射材料時,相對于其他技術,如暗視野,明視野照明,微分干涉對比,相襯,霍夫曼調制對比度,和熒光獲得的圖像的質量。此外,使用偏振光允許礦物質和類似材料的光學性質的測量可以幫助的分類和鑒定的未知物質。



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