偏光顯微鏡--偏振光和雙折射原理

偏光顯微鏡是一種具有起倘振器、檢偏振器和補(bǔ)償器等裝置的特殊顯微鏡，它可以用于對(duì)于具右各向異性的生物學(xué)材料（如纖維蛋白、淀粉粒、紡錘絲等）的觀察和定量工作，而且普遍用于礦構(gòu)和巖石學(xué)中晶體的鑒定。

—、偏振光和雙折射原理

根據(jù)現(xiàn)代波動(dòng)光學(xué)理論，一束光可以被看作是由無(wú)數(shù)連續(xù)的并相互具有10ˉ8S間隔的光量子組成，每一束光波都可以被分解為矢量的振動(dòng)。一班這種振動(dòng)發(fā)生在與傳播方向垂立的所有方向上，并且在各個(gè)方向上的振幅都相等，這種光被稱為非偏振光或天然光。與此相反，只在一個(gè)固定的方向上振動(dòng)的光稱為線性偏振光。偏振光的振動(dòng)方向和傳播方向所成的平面稱為振動(dòng)面，通過(guò)光軸并與振動(dòng)方向垂直的平面稱為偏振面，這種光矢量一般被描述為一種圓周運(yùn)動(dòng)（順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较颍?，因此這種情況被稱為光的圓周偏振。地說(shuō)這種運(yùn)動(dòng)并不*是圓周運(yùn)動(dòng)，而是一種螺旋運(yùn)動(dòng)。橢圓偏振是處于線性偏振和圓周偏振之間酌一種情況，也是經(jīng)常發(fā)生的一種類型，而線性偏振和圓周偏振可以被看作是橢圓偏振的兩個(gè)情況。

當(dāng)介質(zhì)中的原于和分子在三維方向上的分布是*相同時(shí)，對(duì)于在任何方向上通過(guò)介質(zhì)的光束來(lái)說(shuō)折射率部是相等的，這些物質(zhì)在光學(xué)上放稱為各向同性物質(zhì)。然而像晶體或動(dòng)物中的蛋白纖維等許多無(wú)機(jī)物或有機(jī)物，在某種程度上顯示出各個(gè)方向上折射牢并不相同的特點(diǎn)，具有這種特性的物質(zhì)被稱為各向異性物質(zhì)或雙折射物質(zhì)。通過(guò)這種物質(zhì)的光被分成在兩個(gè)互相垂直的平面上偏振的光，一種是服從通常的折射定律的正常光線（或稱O-光線）．另一種是異常光線（或稱E--光線），它具有不同于正常光線的傳播速度和折射率（圖11.1B）。異常光線的傳播速度隨著通過(guò)雙折射材料光線的方向而變化。在任何各向異性的材料中至少可以找到一個(gè)方向、在這個(gè)方向上O--光線和E--光線的傳播速度相等，這個(gè)方向被稱為光軸，當(dāng)然應(yīng)該注意這是一個(gè)方向而不是一條直線。十分明顯，異常光線的折射率（Ne）和正常光線曲折射率（No）之差隨著入射光與光軸之間的角度而變化。對(duì)丁雙折射物質(zhì)來(lái)說(shuō)它的（Ne—No）的zui大值是各向異性材料的一種特性。由于異常光線當(dāng)它從光軸的方向被偏離時(shí)，可以顯示出在速度上的增加或減小，因而雙折射有正負(fù)之分。

在方解石這種高程度的雙折射材料中，可以通過(guò)把兩束光的一束移開(kāi)而產(chǎn)生平面偏振光。把以對(duì)角線切開(kāi)酌兩塊方解石斜方六面體用加拿大樹(shù)膠粘在一起就構(gòu)成了的尼科耳棱鏡。由于這種粘著物質(zhì)具有正好在No和Ne之間的折射串，于是在這個(gè)分界層上E--光線被透過(guò)，而O--光線被反射，并且在棱鏡的變暗面由于吸收而被移開(kāi)（圖11．1C）

兩個(gè)尼科耳棱鏡當(dāng)它們的主平團(tuán)平行時(shí)，除了由于吸收相反射的光損失而外，來(lái)自*個(gè)棱鏡的偏振光束將不受影響地通過(guò)第二個(gè)棱鏡。然而當(dāng)主平面互相垂直時(shí)，來(lái)門(mén)*個(gè)棱鏡的異常光線進(jìn)入正常光線的振動(dòng)平面，并且將被反射，在這種情況下使用十字棱鏡的結(jié)果是沒(méi)有光線迎過(guò)第二個(gè)棱鏡。因此通過(guò)兩個(gè)尼科爾棱鏡的光量是它們主要平面之間角度θ的一個(gè)函數(shù)，當(dāng)這個(gè)角度從0°轉(zhuǎn)到90°時(shí)，透過(guò)第二個(gè)尼科耳棱鏡的光振動(dòng)的振幅與cosθ成反比例。

大多數(shù)液體和非品格的固體出于它們的化學(xué)鍵，分子的運(yùn)動(dòng)是*隨意的．因而是備向悶性的；但是在某些物質(zhì)學(xué)出于分子振動(dòng)的多樣性引起了各向異性現(xiàn)象，它所形成的雙折射可以分為以下幾種類型：

（1）晶態(tài)雙折射。這實(shí)質(zhì)上是由于化學(xué)鍵不對(duì)稱排列所引起的各向異性結(jié)果，它為許多品體所持食。在生物體中的膠原纖維、肌纖維等結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)這種雙折肘，它與物體所在介質(zhì)的折射牟是無(wú)關(guān)的。

（2）形式雙折射。這是由具璃一定折射率的不對(duì)稱微粒所引起的，這種雙折射的形成取決于能夠透入扳動(dòng)的不對(duì)稱粒子的介質(zhì)折射率。

（3）應(yīng)變雙折射。當(dāng)一個(gè)破壞力在分子鍵上起作用時(shí)，在分子結(jié)構(gòu)中就會(huì)產(chǎn)生優(yōu)光振動(dòng)并導(dǎo)致各向異性。應(yīng)力玻璃和伸張撣力纖維就是如此。

（4）流動(dòng)雙折射。在正常情況下表現(xiàn)為各向異性的某些液體，當(dāng)受到切向壓九時(shí)，由于被溶解的粒子振動(dòng)中的變化而變成了雙折射。

除了考慮到正常光線和并常光線之間振動(dòng)平面的不同而外。一些雙折射材料還顯示出對(duì)O--光線和E一光線不同的吸收，這種現(xiàn)象稱為二色性。例如電石晶體就具有強(qiáng)烈的二色性，當(dāng)它的厚度為1mm時(shí)就能夠全部吸收E一光線；在生物體中一—色性是很少見(jiàn)的，但通過(guò)適當(dāng)?shù)娜旧椒ㄔ谝欢ǖ慕M織成分中有時(shí)可以誘導(dǎo)這種二色性。

應(yīng)該指出偏振光不僅可以通過(guò)折射（如在尼科耳棱鏡中）或吸收（在二色性材科中）產(chǎn)生，而且也可以通過(guò)反射和散射而產(chǎn)生。當(dāng)光以一定的角度從破璃那樣的折射表面被反射時(shí)，與折射表面平行的振動(dòng)平面的光被優(yōu)先反射，這種現(xiàn)象有時(shí)在十字棱鏡之間物體的邊部可以看到。

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