显微课堂 | 偏光显微镜原理
时间：2024-11-15 阅读：236
偏光对比显微成像入门
偏光显微镜通常应用于材料科学和地质学领域，根据矿物的折射特性和颜色来识别矿物。在生物学中，偏光显微镜通常用于晶体等双折射结构的识别或成像，或用于植物细胞壁中纤维素和淀粉粒的成像。
双折射物体具有通过折射将单束光分成两束不同光的特性。双折射材料包括具有高度有序分子结构的材料，如方解石或氮化硼晶体。生物标本（如纤维素或淀粉）也具有双折射性。双折射与线性偏振光相结合，可用于显微镜观察，实现两束不同光线的干涉，从而产生色彩效果，如光环和结构发光。
普通光学显微镜至少需要两个附加组件才能实现偏光显微镜观察。要检测双折射性，必须使用线偏振光照明。因此，必须在显微镜的光束路径中插入两个偏振滤光片。通过起偏器产生偏振光来照射试样，第二个偏振滤光片（称为检偏器）将检测到的光限制为折射光。
偏振滤光片必须互成 90° 角，才能达到所谓的 "全黑位置"。当偏振滤光片设置在这个位置时，没有光线会进入相机或目镜，图像将是暗的。设置为“全黑”是偏光显微镜的一个重要步骤，因为它可以确保只有因试样而导致偏振面发生变化的光线才是可见的。
图 1：偏振显微镜的原理：未偏振光由起偏器 1 进行偏振。通过起偏器 1 后，光线被聚光器聚焦到试样上。如果试样具有双折射或含有双折射结构，则部分光线的偏振面会扭曲 90°（草图中的红线表示）。试样的图像被物镜放大后，打到起偏器 2 上。如果起偏器2 比起偏器 1 扭转 90°（即所谓的 "暗位置"），则只有通过双折射试样后偏振发生变化的光才能到达目镜或照相机，并被观察者看到。因此，只有改变偏振光的结构才是可见的。
当光线通过第一个偏振滤光片时，会产生线性偏振光。如果线性偏振光在正确的偏振面上通过双折射材料，则会产生折射并分成两束光线，其中一部分光线的偏振面会旋转 90°。如果第二个偏振器（检偏器）对齐正确（即相对于第一个偏振滤光片成 90°），折射光线就会通过第二个偏振器（检偏器）。因此，只有双折射材料才能在偏振光显微镜中产生图像。
图 2：太阳光或灯泡发出的光为非偏振光，即电磁波在所有方向上都会发生振荡。如果非偏振光通过起偏器 1，就会产生具有明确偏振的光，在本例中为垂直偏振光。如果这束偏振光照射到起偏器 2 上，起偏器 2 旋转 90°，则没有光通过。因此，这两个起偏器处于所谓的 "暗位置"，因为经过第二个起偏器后就再也看不到光了。
重要的是，被检测的双折射材料的偏振轴与第一个偏振片产生的光处于同一偏振轴上。因此，许多偏光显微镜都配备了旋转平台，以确保物体的偏振面与第一偏振滤光片的偏振面容易对准。偏光显微镜的特殊应用可使用各种附件。
贝特朗透镜可用于对物镜后孔聚焦的晶体图案进行圆锥观察。此外，延缓板或补偿器可用于对双折射试样进行定量分析。
图 3：波罗的海琥珀中的苍蝇。虽然琥珀是一种无定形物质，理论上具有光学各向同性，但在偏振光下可以观察到内部应变造成的树脂流动结构以及夹杂物造成的应变。偏振光和一阶红色补偿器的使用使原本金黄的琥珀呈现出浓烈的色彩。暗场和入射光（玻璃纤维）、交叉偏振、一阶红色补偿器、HDRI 色调映射的组合。由瑞士伯尔尼瑞士宝石学会 Michael Hügi 提供。
图 4：钴，冷轧，贝拉哈刻蚀，偏光。微观结构形态的检查在材料科学和失效分析中起着决定性作用。在偏光显微镜下对刻蚀样品进行光学偏振，往往可以增强颜色对比度和特定的微观结构形态。由德国普福尔茨海姆大学的 Ursula Christian 提供。
图 5：用偏光显微镜拍摄的酒石酸晶体。酒石酸是一种天然存在的二元醛羧酸，主要存在于葡萄中。
图 6：用偏振显微镜拍摄的用巴克试剂蚀刻的铝（Al）合金图像。通过偏振光可以看到蚀刻后的铝合金晶粒。
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