Поляризация

Поляризованный свет-это метод усиления контраста, который улучшает качество изображения, полученного с помощью двулучепреломляющих материалов, по сравнению с другими методами, такими как темное поле и косое освещение, дифференциальный интерференционный контраст, фазовый контраст, модуляционный контраст Хоффмана и флуоресценция. Поляризованные световые микроскопы обладают высокой степенью чувствительности и могут быть использованы как для количественных, так и для качественных исследований, ориентированных на широкий спектр анизотропных образцов. Качественная поляризационная микроскопия очень популярна на практике,ей посвящены многочисленные тома. В отличие от этого, количественные аспекты поляризованной световой микроскопии, которая в основном используется в кристаллографии, представляют собой гораздо более сложный предмет, который обычно ограничивается геологами, минералогами и химиками. Однако устойчивый прогресс, достигнутый за последние несколько лет, позволил биологам изучить двулучепреломляющий характер многих анизотропных субклеточных агрегатов.

Введение в поляризованный свет

Солнечный свет и почти все другие формы естественного и искусственного освещения производят световые волны, векторы электрического поля которых вибрируют во всех плоскостях, перпендикулярных по отношению к направлению распространения. Если векторы электрического поля ограничены одной плоскостью путем фильтрации пучка специализированными материалами, то свет называют плоским или линейно поляризованным относительно направления распространения, а все волны, колеблющиеся в одной плоскости, называются плоскопараллельными или плоскополяризованными .

Человеческий глаз не способен различать случайно ориентированный и поляризованный свет, а плоскополяризованный свет может быть обнаружен только через эффект интенсивности или цвета, например, за счет уменьшения бликов при ношении поляризованных солнечных очков. По сути, люди не могут различать между высококонтрастными реальными изображениями, наблюдаемыми в поляризованном световом микроскопе, и идентичными изображениями одних и тех же образцов, снятыми цифровым способом (или на пленке), а затем проецируемыми на экран с неполяризованным светом. Основная концепция поляризованного света проиллюстрирована на рис 1 для неполяризованного пучка света, падающего на два линейных поляризатора. Векторы электрического поля изображены в падающем пучке света в виде синусоидальных волн, вибрирующих во всех направлениях (360 градусов; хотя на рисунке представлены только шесть волн, расположенных с интервалом 60 градусов). В действительности векторы электрического поля падающего света вибрируют перпендикулярно направлению распространения с равным распределением во всех плоскостях до столкновения с первым поляризатором.

Поляризаторы, показанные на рис 1, на самом деле являются фильтрами, содержащими длинноцепочечные полимерные молекулы, которые ориентированы в одном направлении. Поглощается только падающий свет, который вибрирует в той же плоскости, что и ориентированные молекулы полимера, в то время как свет, вибрирующий под прямым углом к плоскости полимера, пропускается через первый поляризационный фильтр. Поляризуя направление первого поляризатора ориентировано вертикально к лучу случая поэтому оно пройдет только волны имея вертикальные векторы электрического поля. Волна, проходящая через первый поляризатор, впоследствии блокируется вторым поляризатором, поскольку этот поляризатор ориентирован горизонтально относительно вектора электрического поля в световой волне. Концепция использования двух поляризаторов, ориентированных под прямым углом друг к другу, обычно называется скрещенной поляризацией и является основополагающей для концепции поляризованной световой микроскопии.

Первые ключи к существованию поляризованного света появились около 1669 года, когда Эразм Бартолин обнаружил, что кристаллы минерального исландского шпата (прозрачная, бесцветная разновидность кальцита ) производят двойное изображение, когда объекты просматриваются через кристаллы в проходящем свете. Во время своих экспериментов Бартолин также наблюдал довольно необычное явление. Когда кристаллы кальцита вращаются вокруг определенной оси, одно из изображений движется по кругу вокруг другого, обеспечивая сильное доказательство того, что кристаллы каким-то образом расщепляют свет на два разных луча.

Более чем через столетие французский физик Этьен Малюс изучил изображения, сделанные с помощью света, отраженного через кристаллы кальцита, и заметил, что при определенных обстоятельствах одно из изображений исчезнет. Он неверно предположил, что обычный дневной свет состоит из двух различных световых форм, которые проходили через кристалл кальцита разными путями. Позже было установлено, что разница возникает из-за полярности света, проходящего через кристалл. Дневной свет состоит из света, вибрирующего во всех плоскостях, тогда как отраженный свет часто ограничивается одной плоскостью, параллельной поверхности, с которой отражается свет.

Поляризованный свет может быть получен из общих физических процессов, которые отклоняют световые лучи, включая поглощение, преломление, отражение, дифракцию (или рассеяние), а также процесс, известный как двулучепреломление (свойство двойной рефракции). Свет, отраженный от плоской поверхности диэлектрического (или изолирующего) материала, часто частично поляризован, причем электрические векторы отраженного света вибрируют в плоскости, параллельной поверхности материала. Распространенными примерами поверхностей, отражающих поляризованный свет, являются ненарушенная вода, стекло, листовая пластмасса и автомобильные дороги. В этих случаях световые волны, имеющие векторы электрического поля, параллельные поверхности, отражаются в большей степени, чем те, которые имеют другую ориентацию. Оптические свойства изолирующей поверхности определяют точное количество отраженного света, который поляризуется. Зеркала не являются хорошими поляризаторами, хотя широкий спектр прозрачных материалов действует как очень хорошие поляризаторы, но только если угол падающего света ориентирован в определенных пределах. Важным свойством отраженного поляризованного света является то, что степень поляризации зависит от угла падения света, причем при уменьшении углов падения наблюдается увеличение количества поляризации.

При рассмотрении падения неполяризованного света на плоскую изолирующую поверхность существует уникальный угол, при котором отраженные световые волны все поляризуются в одну плоскость. Этот угол обычно называют углом Брюстера , и его можно легко вычислить, используя следующее уравнение для луча света, проходящего через воздух:

n = sin (θ i) / sin (θ r ) = sin (θ i) / sin(θ 90-i ) = tan (θ i)

где n - показатель преломления среды, от которой отражается свет, θ (i) - угол падения, а θ (r) - это угол преломления. При рассмотрении уравнения становится очевидным, что показатель преломления неизвестного образца может быть определен по углу Брюстера. Эта особенность особенно полезна в случае непрозрачных материалов, которые имеют высокие коэффициенты поглощения для проходящего света, что делает обычную формулу Закона Снелла неприменимой. Определение величины поляризации с помощью методов отражения также облегчает поиск поляризующей оси на листе поляризующей пленки, которая не отмечена.

Принцип, лежащий в основе угла Брюстера, показан на рис 3 для одного луча света, отраженного от плоской поверхности прозрачной среды, имеющей более высокий показатель преломления, чем воздух. Падающий луч рисуется только с двумя электрическими векторными вибрационными плоскостями,но предназначен для представления света, имеющего колебания во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Когда луч попадает на поверхность под критическим углом (Угол Брюстера; представлен переменной θ на рис. 3), степень поляризации отраженного пучка составляет 100 процентов, причем ориентация электрических векторов лежит перпендикулярно плоскости падения и параллельно отражающей поверхности. Плоскость падения определяется падающей, преломленной и отраженной волнами. Преломленный луч ориентирован под углом 90 градусов от отраженного луча и только частично поляризован.

Для воды (показатель преломления 1,333), стекла (показатель преломления 1,515) и Алмаза (показатель преломления 2,417) критические углы (Брюстера) составляют соответственно 53, 57 и 67,5 градуса. Свет, отраженный от поверхности шоссе под углом Брюстера, часто создает раздражающие и отвлекающие блики, который можно довольно легко продемонстрировать, рассматривая отдаленную часть шоссе или поверхность плавательного бассейна в жаркий, солнечный день. Современные лазеры обычно используют угол Брюстера для получения линейно поляризованного света из отражений на зеркальных поверхностях, расположенных вблизи концов резонатора лазера.

Как уже говорилось выше, яркие отражения, возникающие от горизонтальных поверхностей, таких как шоссе или вода в бассейне, частично поляризуются векторами электрического поля, вибрирующими в направлении, параллельном земле. Этот свет может быть заблокирован поляризационными фильтрами, ориентированными в вертикальном направлении, как показано на рисунке 4, с парой поляризованных солнцезащитных очков. Линзы солнцезащитных очков имеют поляризационные фильтры, которые ориентированы вертикально относительно рамок. На рисунке синие световые волны имеют свои векторы электрического поля, ориентированные в том же направлении, что и поляризующие линзы, и, таким образом, проходят через них. В отличие от этого, ориентация вибрации волны красного света перпендикулярна к ориентации фильтра и прегражена объективами. Поляризационные солнцезащитные очки очень полезны при движении на солнце или на пляже, где солнечный свет отражается от поверхности дороги или воды, что приводит к бликам, которые могут быть почти ослепительными. Поляризационные фильтры также весьма полезны в фотографии, где они могут быть прикреплены к передней части объектива камеры, чтобы уменьшить блики и увеличить общий контраст изображения на фотографиях или цифровых изображениях. Поляризаторы используемые на камерах вообще конструированы с кольцом установки которое позволяет им быть вращанным в пользе достигнуть желаемого результата под различными условиями освещения.

Один из первых поляризационных фильтров был построен в начале девятнадцатого века французским ученым Франсуа Араго, который был активным исследователем природы поляризованного света. Араго исследовал полярность света, возникающего из различных источников в небе, и предложил теорию, которая предсказывала, что скорость света должна уменьшаться по мере его перехода в более плотную среду. Он также работал с Августином Френелем, чтобы исследовать интерференцию в поляризованном свете и обнаружил, что два луча света, поляризованные с их направлениями вибрации, ориентированными перпендикулярно друг другу, не будут подвергаться интерференции. Поляризационные фильтры Arago, разработанные и построенные в 1812 году, были изготовлены из стопки стеклянных листов, спрессованных вместе.

Большинство поляризующих материалов, используемых сегодня, получены из синтетических пленок, изобретенных доктором Эдвином Х. Лендом в 1932 году, которые вскоре обогнали все другие материалы в качестве среды выбора для производства плоскополяризованного света. Для получения пленок крошечные кристаллиты иодохинина сульфата, ориентированные в том же направлении, заделываются в прозрачную полимерную пленку для предотвращения миграции и переориентации кристаллов. Земля разработала листы, содержащие поляризационные пленки, которые продаются под торговой маркой Polaroid (зарегистрированный товарный знак), который стал общепринятым родовым термином для этих листов. Любое устройство, способное выбирать плоскополяризованный свет из естественного (неполяризованного) белого света , теперь называется полярным или поляризатором, имя которого впервые было введено в 1948 году А. Ф. Халлимондом. Поскольку эти фильтры способны дифференциально передавать световые лучи, в зависимости от их ориентации относительно оси поляризатора, они проявляют форму дихроизма и часто называются дихроичными фильтрами .

Поляризованная световая микроскопия была впервые введена в течение девятнадцатого века, но вместо того, чтобы использовать пропускающие поляризационные материалы, свет был поляризован отражением от стопки стеклянных пластин, установленных под углом 57 градусов к плоскости падения. Позже более продвинутые инструменты опирались на кристалл дважды преломляющего материала (например, кальцита), специально вырезанный и склеенный вместе, чтобы сформировать призму. Пучок белого неполяризованного света, входящий в кристалл такого типа, разделяется на две составляющие, которые поляризуются во взаимно перпендикулярных (ортогональных) направлениях.

Один из лучей света, выходящий из двулучепреломляющего кристалла, называется обычным лучом , а другой-экстраординарным лучом. Обычный луч преломляется в большей степени электростатическими силами в кристалле и воздействует на цементированную поверхность под критическим углом полного внутреннего отражения. В результате, этот луч отражен из призмы и исключен абсорбциой в оптически держателе. Экстраординарный луч пересекает призму и появляется в виде пучка линейно-поляризованного света, который проходит непосредственно через конденсор и образец (расположенный на ступени микроскопа).

Несколько версий поляризационных устройств на основе призм когда-то были широко доступны, и они обычно назывались в честь своих дизайнеров. Наиболее распространенная поляризационная призма (проиллюстрированная на рис 5 ) была названа в честь Уильяма Николя, который впервые сколол и склеил вместе два кристалла исландского шпата с канадским бальзамом в 1829 году. Никелевые призмы впервые были использованы для измерения угла поляризации двулучепреломляющих соединений, что привело к новым разработкам в понимании взаимодействия между поляризованным светом и кристаллическими веществами.

На рис 5 представлена иллюстрация конструкции типичной никелевой призмы. Кристалл дважды преломляющего (двулучепреломляющего) материала, обычно кальцита, разрезают вдоль плоскости, обозначенной A-b-c-dи эти две половинки затем склеиваются вместе, чтобы воспроизвести первоначальную кристаллическую форму. Пучок неполяризованного белого света входит в кристалл слева и расщепляется на две составляющие, которые поляризуются во взаимно перпендикулярных направлениях. Один из этих лучей (обозначенный обычным лучом) преломляется в большей степени и воздействует на цементированную границу под углом, что приводит к его полному отражению из призмы через самую верхнюю грань кристалла. Другой луч (экстраординарный луч) преломляется в меньшей степени и проходит через призму, чтобы выйти в виде плоскополяризованного луча света.

Другие конфигурации призм были предложены и построены в течение девятнадцатого и начала двадцатого веков, но в настоящее время больше не используются для получения поляризованного света в современных приложениях. Призмы Nicol очень дороги и громоздки, и имеют очень ограниченную апертуру, которая ограничивает их использование при больших увеличениях. Вместо этого, поляризованный свет теперь наиболее обыкновенно произведен абсорбциой света имея комплект специфических направлений вибрации в средстве фильтра (как поляризовывая листы) где ось пропускания фильтра перпендикулярна к ориентации линейных полимеров и кристаллов которые состоят из поляризуя материала.

В современных поляризаторах поглощаются падающие световые волны, имеющие электрические векторные колебания, параллельные кристаллической оси поляризатора. Многие падающие волны будут иметь векторную ориентацию, которая является косой, но не перпендикулярной оси кристалла, и будут только частично поглощены. Степень поглощения для косых световых волн зависит от угла вибрации, под которым они воздействуют на поляризатор. Те лучи, которые имеют углы, близкие к параллельным относительно оси кристалла, будут адсорбироваться в гораздо большей степени, чем те, которые имеют углы, близкие к перпендикуляру. Наиболее распространенные поляроидные фильтры (называемые H-сериями ) пропускают только около 25 процентов падающего светового пучка, но степень поляризации передаваемых лучей превышает 99 процентов.

Ряд применений, в частности поляризовыванная оптически микроскопия, полагаются на пересеченных поляризаторах для того чтобы рассмотреть двулучепреломляющие или дважды рефракционируя образцы. Когда два поляризатора пересекаются, их оси пропускания ориентированы перпендикулярно друг другу, и свет, проходящий через первый поляризатор, полностью гасится или поглощается вторым поляризатором, который обычно называется анализатором . Светопоглощающее качество дихроичного поляризационного фильтра точно определяет, сколько случайного света гасится, когда поляризатор используется в скрещенной паре, и называется коэффициент экстинкции поляризатора. Количественно коэффициент экстинкции определяется отношением количества света, прошедшего через пару поляризаторов, когда их оси пропускания ориентированы параллельно, к количеству света, прошедшего через них, когда они расположены перпендикулярно друг другу. Как правило, для получения угольно-черного фона и максимального наблюдаемого двулучепреломления образца (и контраста) в поляризованной оптической микроскопии требуются коэффициенты экстинкции от 10 000 до 100 000.

Количество света, проходящего через скрещенную пару высококачественных поляризаторов, определяется ориентацией анализатора относительно поляризатора. Когда поляризаторы ориентированы перпендикулярно друг к другу, они показывают максимальный уровень вымирания. Однако при других углах получаются различные степени вымирания, что иллюстрируется векторными диаграммами, представленными на рис 6. Анализатор использован для того чтобы контролировать количество света пропуская через пересеченную пару, и может быть вращан в световом пути для того чтобы позволить различные амплитуды поляризовыванного света пройти до конца. На рис 6(a) , поляризатор и анализатор имеют параллельные оси передачи и электрические векторы света пропуская через поляризатор и анализатор равной величины и параллельны к Одину другого.

Поворот оси пропускания анализатора на 30 градусов относительно оси поляризатора уменьшает амплитуду световой волны, проходящей через пару, как показано на рис 6 (b). В этом случае поляризованный свет, проходящий через поляризатор, может быть разрешен на горизонтальные и вертикальные компоненты векторной математикой для определения амплитуды поляризованного света, который способен проходить через анализатор. Амплитуда луча, проходящего через анализатор, равна вертикальной составляющей вектора (проиллюстрирована желтой стрелкой на рис 6 (b)).

Продолжающееся вращение оси пропускания анализатора на угол 60 градусов по отношению к оси пропускания поляризатора дополнительно уменьшает величину составляющей вектора, которая передается через анализатор (рис 6 (c)). Когда анализатор и поляризатор полностью пересекаются ( угол 90 градусов), вертикальная составляющая становится незначительной (рис 6 (d) ) и поляризаторы достигают своего максимального значения экстинкции.

Количество света, проходящего через пару поляризаторов, можно количественно описать, применив закон малуса Косинус-квадрат, как функцию углов между осями пропускания поляризатора, используя уравнение:

I = I(o) • cos2θ

где I-интенсивность света, проходящего через анализатор(и общее количество света, проходящего через пару скрещенных поляризаторов), I (o) - интенсивность света, падающего на поляризатор, и θ-угол между осями пропускания поляризатора и анализатора. Исследуя уравнение, можно определить, что при пересечении двух поляризаторов ( θ = 90 градусов), интенсивность равна нулю. В этом случае свет, прошедший через поляризатор, полностью гасится анализатором. Когда поляризаторы частично пересечены на 30 и 60 градусах, свет переданный анализатором уменьшен 25 процентами и 75 процентами, соответственно.

Поляризация рассеянного света

Молекулы газа и воды в атмосфере рассеивают свет от солнца во всех направлениях-эффект, который отвечает за голубое небо, белые облака, красные закаты и явление, называемое атмосферной поляризацией . Количество рассеянного света (называемого рэлеевским рассеянием ) зависит от размера молекул (водорода, кислорода, воды) и длины волны света, как было показано Лордом Рэлеем в 1871 году. Более длинные длины волн, такие как красный, оранжевый и желтый, рассеиваются не так эффективно, как более короткие длины волн, такие как фиолетовый и синий.

Атмосферная поляризация является прямым результатом рэлеевского рассеяния солнечного света молекулами газа в атмосфере. При ударе между фотоном от солнца и молекулой газа электрическое поле от фотона индуцирует вибрацию и последующее повторное излучение поляризованного света от молекулы (проиллюстрировано на рис. 7). Излучаемый свет рассеивается под прямым углом к направлению распространения солнечного света и поляризуется либо вертикально, либо горизонтально, в зависимости от направления рассеяния. Большая часть поляризованного света, воздействующего на Землю, поляризована горизонтально (более 50 процентов), что можно подтвердить, наблюдая небо через Поляроидный фильтр.

Появились сообщения о том, что некоторые виды насекомых и животных способны обнаруживать поляризованный свет, включая муравьев, плодовых мух и некоторых рыб, хотя на самом деле список может быть гораздо длиннее. Например, считается, что некоторые виды насекомых (в первую очередь пчелы) используют поляризованный свет для навигации к месту назначения. Также широко распространено мнение, что некоторые люди чувствительны к поляризованному свету и способны наблюдать желтую горизонтальную линию, наложенную на синее небо, когда они смотрят в направлении, перпендикулярном направлению солнца (явление, называемое кистью Хайдингера). Желтые пигментные белки, называемые macula lutea, которые представляют собой дихроичные кристаллы, находящиеся в фовеа человеческого глаза, приписывают возможность человеку видеть поляризованный свет.

Эллиптически и циркулярно поляризованный свет

В линейно поляризованном свете электрический вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, как это обсуждалось выше. Естественные источники света, такие как солнечный свет, и искусственные источники, в том числе лампы накаливания и флуоресцентный свет, все излучают свет с ориентациями электрического вектора, которые являются случайными в пространстве и времени. Свет этого типа называется неполяризованным . Кроме того, существует несколько состояний эллиптически поляризованных свет, лежащий между линейным и неполяризованным, в котором вектор электрического поля транскрибирует форму эллипса во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения световой волны.

Эллиптическая поляризация, в отличие от плоскополяризованного и неполяризованного света, имеет вращательное "чувство", которое относится к направлению вращения электрического вектора вокруг оси распространения (падающего) светового пучка. Если смотреть в конце, направление поляризации может быть либо левым, либо правым, свойство, которое называется handedness эллиптической поляризации. Повороты вектора по часовой стрелке называются правосторонней поляризацией, а против часовой стрелки-левосторонней поляризацией.

В тех случаях, когда большая и малая векториальные оси эллипса поляризации равны, тогда световая волна попадает в категорию циркулярно поляризованного света и может быть либо правосторонней, либо левосторонней в смысле. Другой случай часто имеет место, когда малая ось компоненты электрического вектора в эллиптически поляризованном свете переходит в нуль, и свет становится линейно поляризованным. Хотя каждый из этих мотивов поляризации можно достигнуть в лаборатории с соотвествующим оптически измерительным оборудованием, они также происходят (к меняя, но небольшим, градусам) в естественном неполяризовыванном свете.

Обычные и необычные световые волны, возникающие при прохождении луча света через двулучепреломляющий Кристалл, имеют плоскополяризованные электрические векторы, которые взаимно перпендикулярны друг другу. Кроме того, из-за различий в электронном взаимодействии, которое каждый компонент испытывает во время своего путешествия через кристалл, фазовый сдвиг обычно происходит между двумя волнами. Хотя обычные и необычные волны следуют по разным траекториям и широко разделены в кристалле кальцита, описанном ранее, это обычно не относится к кристаллическим материалам, имеющим оптическую ось, перпендикулярную плоскости падающего освещения.

Специальный класс материалов, известный как компенсационные или замедляющие пластины, весьма полезен для получения эллиптически и циркулярно поляризованного света для ряда применений, в том числе для поляризованной оптической микроскопии. Эти двулучепреломляющие вещества выбираются потому, что когда их оптическая ось расположена перпендикулярно падающему световому лучу, обычные и необычные световые лучи следуют одинаковым траекториям и проявляют разность фаз, которая зависит от степени двулучепреломления. Поскольку пара ортогональных волн накладывается друг на друга, ее можно рассматривать как единую волну, имеющую взаимно перпендикулярные компоненты электрического вектора, разделенные небольшой разностью фаз. Когда векторы объединяются простым сложением в трехмерном пространстве, результирующая волна становится эллиптически поляризованной.

Эта концепция проиллюстрирована на рис 8, где результирующий электрический вектор не вибрирует в одной плоскости, а прогрессивно вращается вокруг оси распространения световой волны, охватывая эллиптическую траекторию, которая появляется в виде спирали, когда волна рассматривается под углом. Размер разности фаз между обычной и необычной волнами (равной амплитуды) определяет, будет ли вектор проходить эллиптическую или круговую траекторию, когда волна рассматривается в конце от направления распространения. Если фазовый сдвиг составляет либо одну четверть или три четверти длины волны, то круговая спираль описывается результирующим вектором. Однако фазовые сдвиги одной половины или полной длины волны создают линейно поляризованный свет, а все остальные фазовые сдвиги приводят к разверткам, имеющим различную степень эллиптичности.

Когда обычные и необычные волны возникают из двулучепреломляющего кристалла, они вибрируют во взаимно перпендикулярных плоскостях, имеющих общую интенсивность, которая является суммой их индивидуальных интенсивностей. Поскольку поляризованные волны имеют электрические векторы, которые вибрируют в перпендикулярных плоскостях, волны не способны испытывать интерференцию. Этот факт имеет последствия в способности двулучепреломляющих веществ производить изображение. Интерференция может возникнуть только тогда, когда электрические векторы двух волн вибрируют в одной плоскости во время пересечения, чтобы произвести изменение амплитуды результирующей волны (требование для формирования изображения). Поэтому прозрачные образцы, имеющие двулучепреломление, будут оставаться невидимыми, если их не рассматривать между скрещенными поляризаторами, которые пропускают только компоненты эллиптически и циркулярно поляризованных волн, параллельных оси поляризатора, ближайшего к наблюдателю. Эти компоненты способны производить амплитудные колебания для получения контраста и выходить из поляризатора в виде линейно поляризованного света.

Применение поляризованного света

Одним из наиболее распространенных и практических применений поляризации является жидкокристаллический дисплей (ЖК), используемый в многочисленных устройствах, включая наручные часы, экраны компьютеров, таймеры, часы и множество других. Эти системы индикации основаны на взаимодействии стержнеобразных жидкокристаллических молекул с электрическим полем и поляризованными световыми волнами. Жидкокристаллическая фаза существует в основном состоянии, которое называется холестерическим , в котором молекулы ориентированы слоями, и каждый последующий слой слегка скручен, чтобы сформировать спиральную картину ( рис 9). При взаимодействии поляризованных световых волн с жидкокристаллической фазой волна "скручивается" под углом примерно 90 градусов по отношению к падающей волне. Точное значение этого угла является функцией винтового шага холестерической жидкокристаллической фазы, которая зависит от химического состава молекул (он может быть тонко настроен небольшими изменениями молекулярной структуры).

Отличный пример базового применения жидкокристаллических устройств отображения информации можно найти в семисегментном жидкокристаллическом цифровом индикаторе (проиллюстрированном на рис 9 ). Здесь жидкокристаллическая фаза находится между двумя стеклянными пластинами, к которым прикреплены электроды, похожие на те, что изображены на иллюстрации. На рис 9, стеклянные пластинки установлены с 7 черными электродами которые можно индивидуально поручить (эти электроды прозрачны для того чтобы осветить в реальных приборах). Свет, проходящий через поляризатор 1, поляризуется в вертикальном направлении и, когда на электроды не подается ток, жидкокристаллическая фаза индуцирует 90-градусный "поворот" света, что позволяет ему проходить через поляризатор 2, который поляризован горизонтально и ориентирован перпендикулярно поляризатору 1. Этот свет может затем сформировать один из семи сегментов на дисплее.

Когда ток подается на электроды, жидкокристаллическая фаза выравнивается с током и теряет холестерическую спиральную картину. Свет, проходящий через заряженный электрод, не скручивается и блокируется поляризатором 2. Путем координировать напряжение тока на 7 положительных и отрицательных электродах, дисплей способен представлять номера 0 до 9. В этом примере верхний правый и нижний левый электроды заряжаются и блокируют свет, проходящий через них, что позволяет сформировать число "2" с помощью устройства отображения (см. обратный рисунок).

Явление оптической активности в некоторых химических веществах проистекает из их способности вращать плоскость поляризованного света. В эту категорию входят многие сахара, аминокислоты, органические натуральные продукты, некоторые кристаллы и некоторые лекарственные препараты. Вращение измеряется путем помещения раствора целевого химического вещества между скрещенными поляризаторами в приборе, называемом полярископ. Впервые наблюдаемая в 1811 году французским физиком Домиником Араго, оптическая активность играет важную роль в различных биохимических процессах, где структурная геометрия молекул управляет их взаимодействиями. Химические вещества , которые вращают колебательную плоскость поляризованного света в направлении по часовой стрелке, называются декстроротаторными, а те, которые вращают свет в направлении против часовой стрелки, называются леворотаторными . Два химических вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различные оптические свойства, называются оптическими изомерами, которые вращают плоскость поляризованного света в разных направлениях.

Несимметричные кристаллы можно использовать для того чтобы произвести поляризовыванный свет когда электрическое поле приложено к поверхности. Общее научное устройство, использующее эту концепцию, называется ячейкой Покелса, которая может быть использована в сочетании с поляризованным светом для изменения направления поляризации на 90 градусов. Клетки Pockels могут быть переключены дальше и очень быстро электрическими течениями и часто использованы как быстрые шторки которые позволяют свету пройти на очень короткие периоды времени (выстраивая в ряд в наносекундах). Представлено на рис 10 представляет собой схематическое представление поляризованного света, проходящего через ячейку Поккельса (желтая волна). Зеленые и красные синусоидальные световые волны, исходящие из центральной области ячейки, представляют собой свет, поляризованный либо вертикально, либо горизонтально. Когда клетка повернута, поляризовыванный свет без изменений по мере того как он проходит до конца (Зеленая волна), но активированный или повернутый дальше, электрический вектор светового луча перенесен 90 градусами (красной волной). В ситуациях, когда имеются чрезвычайно большие электрические поля, молекулы некоторых жидкостей и газов могут вести себя как анизотропные кристаллы и быть выровнены таким же образом. Клетка Kerr, конструированная для того чтобы расквартировать жидкости и газы вместо кристаллов, также работает для того чтобы изменить угол поляризовыванного света.

Другие применения для поляризовыванного света включают солнечные очки Polaroid обсуженные выше, также, как польза особенных поляризовывая фильтров для объективов фотоаппарата. Различные научные приборы используют поляризованный свет, либо излучаемый лазерами, либо через поляризацию источников накаливания и флуоресценции множеством методов. Поляризаторы иногда использованы в освещении комнаты и этапа для уменьшения слепимости и для того чтобы произвести более ровную степень освещения, и несены как стекла для того чтобы даровать ясное чувство глубины к трехмерным фильмам. Скрещенные поляризаторы даже используются в космических скафандрах, чтобы резко уменьшить вероятность попадания солнечного света в глаза астронавта во время дневного сна.

Поляризация света очень полезна во многих аспектах оптической микроскопии. Поляризационный микроскоп предназначен для наблюдения и фотографирования образцов, которые видны в первую очередь благодаря их оптически анизотропному характеру. Анизотропные материалы обладают оптическими свойствами, изменяющимися в зависимости от направления распространения проходящего через них света. Для выполнения этой задачи микроскоп должен быть оснащен как поляризатором, расположенным в световом тракте где-то перед образцом, так и анализатором (вторым поляризатором), расположенным в оптическом тракте между задней апертурой объектива и смотровыми трубками или портом камеры.

Контраст изображения возникает в результате взаимодействия плоскополяризованного света с двулучепреломляющим (или дважды преломляющим) образцом для получения двух отдельных волновых компонентов, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости этих компонентов различны и изменяются в зависимости от направления распространения через образец. После выхода из образца компоненты света выходят из фазы и развертывают эллиптическую геометрию, которая перпендикулярна направлению распространения, но рекомбинируются через конструктивную и деструктивную интерференцию, когда они проходят через анализатор. Поляризованная световая микроскопия-это метод усиления контраста, который улучшает качество изображения, полученного с помощью двулучепреломляющих материалов, по сравнению с другими методами, такими как освещение темного и яркого полей, дифференциальный интерференционный контраст, фазовый контраст, модуляционный контраст Хоффмана и флуоресценция. Кроме того, использование поляризованного света позволяет измерять оптические свойства минералов и аналогичных материалов и может помочь в классификации и идентификации неизвестных веществ.

Микроскоп поляризовыванного света конструирован для того чтобы наблюдать и сфотографировать образцы которые видимые главным образом должные к их оптически анизотропному характеру. Для выполнения этой задачи микроскоп должен быть оснащен как поляризатором, расположенным в световом тракте где-то перед образцом, так и анализатором (вторым поляризатором; см. рис 10), расположенным в оптическом тракте между задней апертурой объектива и смотровыми трубками или портом камеры. Контраст изображения возникает при взаимодействии плоскополяризованного света с двулучепреломителем (или двойн-преломляя) образец для того чтобы произвести 2 индивидуальных компонента волны которые каждое поляризовываны во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорости этих составляющих, которые называются обычным и экстраординарным волновыми фронтами (рис 10), различны и изменяются в зависимости от направления распространения через образец. После выхода из образца, светлые компоненты будут из участка, но рекомбинированы с конструктивным и разрушительным взаимодействием когда они пройдут через анализатор. Эти концепции представлены на рис 10 для волнового фронта поля, создаваемого гипотетическим двулучепреломляющим образцом. Кроме того, на рисунке показаны критические оптические и механические компоненты современного поляризованного светового микроскопа.

Поляризованная световая микроскопия способна предоставлять информацию о цвете поглощения и оптических границах пути между минералами с различными показателями преломления, аналогично освещению brightfield, но метод также может различать изотропные и анизотропные вещества. Кроме того, метод усиления контраста использует оптические свойства, характерные для анизотропии, и позволяет получить детальную информацию о структуре и составе материалов, которая является бесценной для целей идентификации и диагностики.

Изотропные материалы, к которым относятся разнообразные газы, жидкости, безнапряженные стекла и кубические кристаллы, при зондировании во всех направлениях демонстрируют одни и те же оптические свойства. Эти материалы имеют только один показатель преломления и не имеют ограничений на направление вибрации проходящего через них света. Напротив, анизотропные материалы, в состав которых входит 90% всех твердых веществ, обладают оптическими свойствами, изменяющимися в зависимости от ориентации падающего света с кристаллографическими осями. Они демонстрируют целый ряд показателей преломления, зависящих как от направления распространения света через вещество, так и от координат колебательной плоскости. Что еще более важно, анизотропные материалы действуют как светоделители и разделяют лучи света на две ортогональные компоненты (как показано на рис 10 ). Метод поляризационной микроскопии использует интерференцию расщепленных световых лучей, поскольку они повторно объединяются вдоль одного и того же оптического пути для извлечения информации об анизотропных материалах.

Поляризованная световая микроскопия, пожалуй, наиболее известна своими приложениями в геологических науках, которые сосредоточены в первую очередь на изучении минералов в тонких срезах горных пород. Однако, большое разнообразие других материалов можно охотно расследовать в поляризовыванном свете, включая и естественные и промышленные минералы, смеси цемента, керамику, минеральные волокна, полимеры, крахмал, древесину, мочевину, и хозяина биологических макромолекул и структурных агрегатов. Метод может быть использован как качественно, так и количественно с успехом, и является выдающимся инструментом для наук о материалах, геологии, химии, биологии, металлургии и даже медицины.

Хотя понимание аналитических методов поляризованной микроскопии может быть, возможно, более требовательным, чем другие формы микроскопии, это вполне заслуживает внимания, просто для расширенной информации, которую можно получить по изображению яркого поля. Понимание основных принципов, лежащих в основе поляризованной световой микроскопии, также имеет важное значение для эффективной интерпретации дифференциального интерференционного контраста ( DIC ).

Основные свойства поляризованного света

Волновая модель Света описывает световые волны, колеблющиеся под прямым углом к направлению распространения, причем все направления колебаний одинаково вероятны. Это называется "обычным" или "неполяризованным" белым светом. В плоскополяризованном свете существует только одно направление вибрации (рис 10). Система человеческий глаз-мозг не имеет никакой чувствительности к вибрационным направлениям света, и плоскополяризованный свет может быть обнаружен только с помощью интенсивности или цветового эффекта, например, за счет уменьшения бликов при ношении поляризованных солнечных очков.

Поляризованный свет наиболее обыкновенно произведен абсорбциой света имея комплект специфических направлений вибрации в дихроичном средстве. Некоторые природные минералы, такие как турмалин, обладают этим свойством, но синтетические пленки, изобретенные доктором Эдвином Х. Лендом в 1932 году, вскоре обогнали все остальные материалы как средство выбора для производства плоскополяризованного света. Крошечные кристаллиты сульфата иодохинина, ориентированные в том же направлении, встроены в прозрачную полимерную пленку для предотвращения миграции и переориентации кристаллов. Компания Land разработала листы, содержащие поляризационные пленки , которые продавались под торговой маркой Polaroid®, что стало общепринятым родовым термином для этих листов. Любое устройство, способное выбирать плоскополяризованный свет из естественного (неполяризованного) белого света , теперь называется поляризатором или поляризатором, имя, впервые введенное в 1948 году А. Ф. Халлимондом. Сегодня поляризаторы широко используются в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях ), солнцезащитных очках, фотографии, микроскопии, а также для множества научных и медицинских целей.

В поляризационном микроскопе имеются два поляфильтра-поляризатор и анализатор (см. рис 10). Поляризатор расположен под этапом образца обычно с своим азимутом вибрации зафиксированным в Лев-к-правом, или East-West направлении, хотя большой часть из этих элементов можно вращать через 360 градусов. Анализатор, обычно выровненный с направлением вибрации ориентированным Север-Юг, но снова ротатабельный на некоторых микроскопах, помещен над задачами и может быть двинут внутри и из светлого путя по мере необходимости. Когда и анализатор и поляризатор введены в оптически путь, их азимуты вибрации расположены под прямым углом друг к другу. В этой конфигурации, поляризатор и анализатор сказаны, что будут пересечены, без света пропуская через систему и темного поля зрения присутствующего в окулярах.

Для микроскопии падающего света поляризовыванной, поляризатор расположен в вертикальном иллюминаторе и анализатор помещен над половинным зеркалом. Большинство поворотных поляризаторов градуированы для указания угла поворота Азимута передачи, в то время как анализаторы обычно фиксируются в положении (хотя продвинутые модели могут быть повернуты либо на 90, либо на 360 градусов). Поляризатор и анализатор необходимые компоненты поляризационного микроскопа, но другие желательные характеристики включают:

• Специализированный этап-это круговая вращающаяся на 360 градусов ступень образца для облегчения ориентационных исследований с центрированием целей и ступень с оптической осью микроскопа для обеспечения совпадения центра вращения с центром поля зрения. Много этапов конструированных для микроскопии поляризовыванного света также содержат верньерный маштаб так, что угол вращения можно измерить к точности 0.1 градусов. Для углубленных исследований коноскопических изображений можно также использовать универсальную ступень, имеющую несколько осей вращения, чтобы обеспечить возможность наблюдения за образцом с любого направления.
• Задача без деформации-напряжение, введенное в стекло задачи во время сборки, может создавать паразитные оптические эффекты при поляризованном свете, что может привести к снижению производительности. Объективы, предназначенные для наблюдения поляризованного света, отличаются от обычных целей надписью P, PO или Pol на бочке. Производительность объектива ограничена несколькими факторами, в том числе антиотражающими покрытиями, используемыми на поверхности линз, и преломляющими свойствами, обусловленными углом падающего света на переднюю линзу. Кроме того, напряжение линзы может быть введено в цементном соединении между элементами в группе линз или от одного или группы линз, которые были установлены слишком плотно в рамке.
• Центрируемая вращающаяся носовая панель-поскольку положение оптической оси объектива изменяется от одного узла к другому, многие поляризованные световые микроскопы оснащены специализированным носовой панелью, которая содержит механизм центрирования для отдельных целей. Это позволяет каждому объективу быть центризованным по отношению к этапу и оси микроскопа оптически так, что особенности образца останутся в центре поля зрения когда этап будет вращан через 360 градусов.
• Конденсатор без деформации-конденсаторы, предназначенные для поляризованной световой микроскопии, имеют несколько общих особенностей, в том числе использование линз без деформации. Некоторые конденсаторы оснащены приемником для поляризатора или имеют поляризационный элемент, установленный непосредственно в конденсаторе, под апертурной диафрагмой. Много конденсоров для поляризации имеют верхний объектив который можно извлечь (конденсатор качани-объектива) от светлого путя для того чтобы произвести почти параллельные волновые фронты освещения для низких наблюдений увеличения и двулучепреломления.
• Окуляры-Поляризовыванные окуляры микроскопа света приспособлены с перекрещенной сеткой провода (или graticule) для того чтобы отметить центр поля зрения. Часто поперечная проволочная сетка заменяется фотомикрографической сеткой, которая помогает фокусировать образец и составлять изображения с набором рамок, ограничивающих область поля зрения, которая должна быть захвачена либо цифровым способом, либо на пленку. Ориентация окуляра по отношению к поляризатору и анализатору обеспечивается точечным штырем, который скользит в гильзу смотровой трубки.
• Объектив Бертрана-специализированная линза, установленная в промежуточной трубке или внутри смотровых трубок, объектив Бертрана проецирует интерференционную картину, сформированную в задней фокальной плоскости объектива, в фокус на плоскости изображения микроскопа. Объектив предназначен для удобного изучения задней фокальной плоскости объектива, обеспечения точной регулировки освещающей апертурной диафрагмы и просмотра интерференционных рисунков, аналогичных представленным на рис 11. Обратите внимание, что на рис 11А и 11 b), интерференционные картины представляют собой те, которые наблюдаются с одноосным кристаллом в поляризованном свете, в то время как картина На рис 11 (c) типична для одноосного кристалла с пластиной замедления первого порядка, вставленной в оптический путь.
• Компенсатор и пластины замедления-многие поляризованные световые микроскопы содержат щель, позволяющую вставлять компенсаторы и / или пластины замедления между скрещенными поляризаторами, которые используются для увеличения оптических различий пути в образце. В большинств самомоднейших конструкциях микроскопа, этот шлиц помещен или в nosepiece микроскопа или промежуточной пробке расположенной между телом и пробками окуляра. После этого между образцом и анализатором устанавливаются компенсационные пластины, вставляемые в щель.

Поляризованная световая микроскопия может использоваться как с отраженным (падающим или Эпи), так и с переданным светом. Отраженный свет полезен для исследования непрозрачных материалов, таких как керамика, минеральные оксиды и сульфиды, металлы, сплавы, композиты и кремниевые пластины (см. рис 12 ). Методы отраженного света требуют специального набора задач, которые не были скорректированы для просмотра через защитное стекло, и те, которые для поляризационной работы также должны быть свободными от напряжения.

На рис 12 показана серия фотомикрографов отраженного поляризованного света типичных образцов, полученных с использованием этого метода. Слева (рис 12, а) находится цифровое изображение, раскрывающее поверхностные особенности микропроцессорной интегральной схемы. Двулучепреломляющие элементы, используемые при изготовлении схемы, хорошо видны на изображении, которое отображает часть арифметико-логического блока микросхемы. Пятнистая поверхность керамического сверхпроводящего кристалла (основание висмута) представлена на рис 12 (б), который показывает двулучепреломляющие кристаллические области с интерференционными цветами, перемежающимися с границами зерен. Металлические тонкие пленки также видны с отраженным поляризованным светом. на рис 12(c) показаны блистеры, образующие дефекты в сливающейся тонкой пленке меди (толщиной около 0,1 мкм), помещенной на подложку из никеля/хлорида натрия с образованием металлической сверхрешетки.

Тщательная подготовка образца необходима для получения хороших результатов в поляризованной световой микроскопии. Выбранный метод будет зависеть от типа изучаемого материала. В геологохимических применениях, стандартная толщина для разделов утеса тонких 25-30 микрометров. Образцы можно смолоть вниз с колес пропитанных диамантом и после этого вручить законченный к правильной толщине используя истирательные порошки последовательно уменьшая размера песчинки. Окончательный образец должен иметь защитное стекло, склеенное оптически прозрачным клеем. Более мягкие материалы могут быть приготовлены способом, аналогичным биологическим образцам с использованием микротома. Срезы толщиной от одного до 40 микрометров используются для наблюдений за проходящим светом. Они должны быть без натяжения и без каких-либо ножевых следов. Биологические и другие мягкие образцы установлены между скольжением и защитным стеклом используя устанавливая средство состав которого будет зависеть от химической и физической природы образца. Это особенно важно при изучении синтетических полимеров, где некоторые среды могут химически вступать в реакцию с исследуемым материалом и вызывать деструктивные структурные изменения (артефакты).

Проявления поляризованного света в оптической микроскопии

Различные уровни информации могут быть получены в плоскополяризованном свете (анализатор снят с оптического тракта) или при скрещенных поляризаторах (анализатор вставлен в оптический тракт). Наблюдения в плоскополяризованном свете выявляют детали оптического рельефа образца, что проявляется в заметности границ, и увеличивается с увеличением показателя преломления. Различия в показателях преломления монтажного клея и образца определяют степень рассеяния света при его появлении на неровной поверхности образца. Материалы с высоким рельефом, которые, как представляется, выделяются на изображении, имеют показатели преломления, которые заметно отличаются от установочной среды. Иммерсионная рефрактометрия применяется для измерения веществ, имеющих неизвестные показатели преломления, путем сравнения их с маслами известного показателя преломления.

Исследования прозрачных или полупрозрачных материалов в плоскополяризованном свете будут аналогичны тем, которые наблюдаются в естественном свете до тех пор, пока образец не будет вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Затем наблюдатели могут увидеть изменения яркости и / или цвета исследуемого материала. Это плеохроизм (термин, используемый для описания изменения цвета поглощения с направлением вибрации света) зависит от ориентации материала в световом пути и является характеристикой только анизотропных материалов. Примером материала, демонстрирующего плеохроизм, является кроцидолит, более известный как синий асбест. Плеохроичное влияние помогает в идентификации большого разнообразия материалов.

Поляризационные цвета являются результатом интерференции двух компонентов света, разделенных анизотропным образцом, и могут рассматриваться как белый свет минус те цвета, которые разрушительно интерферируют. На рис 11 представлены коноскопические изображения одноосных кристаллов, наблюдаемых в задней фокальной плоскости объектива. Интерференционные картины формируются световыми лучами, перемещающимися вдоль различных осей наблюдаемого кристалла. Одноосные кристаллы (рис 11) отображают интерференционную картину, состоящую из двух пересекающихся черных полос (называемых изогирами) которые образуют Мальтийский крестовидный узор. При освещении белым (поляризованным) светом двулучепреломляющие образцы создают круговые распределения интерференционных цветов ( рис 11), причем внутренние окружности, называемые изохромами, состоят из цветов все более низкого порядка (см. диаграмму интерференционных цветов Мишеля-Леви , рис 13). Общий центр как для черного креста, так и для изохромов называется melatope, что обозначает происхождение световых лучей, движущихся вдоль оптической оси кристалла. Двухосные кристаллы показывают два мелатопа (не иллюстрированные) и гораздо более сложную картину интерференционных колец.

Две ортогональные компоненты света (обычные и необычные волны) движутся с различными скоростями через образец и испытывают различные показатели преломления, явление, известное как двулучепреломление . Количественным измерением двулучепреломления является численная разница между показателями преломления волнового фронта. Более быстрый луч вытекает сперва от образца с оптически разницей в пути ( OPD), который можно рассматривать как "выигрышный запас" по сравнению с более медленным. Анализатор рекомбинирует только компоненты двух лучей, движущихся в одном направлении и вибрирующих в одной плоскости. Поляризатор обеспечивает что 2 луча имеют такую же амплитуду во время рекомбинации для максимального контраста.

Конструктивная и деструктивная интерференция света, проходящего через анализатор, возникает между ортогональными компонентами в зависимости от оптической разности хода образца и длины волны света, которую можно определить по порядку поляризационных цветов. Этот эффект зависит от свойств образца, включая разницу в толщине между показателем преломления и двулучепреломлением двух взаимно перпендикулярных Пучков, которая имеет максимальное значение, зависящее от образца и от направления распространения света через образец. Оптически разницы в пути можно использовать для того чтобы извлечь ценную информацию "наклона" от образца.

На поляризационную цветовую информацию накладывается компонент интенсивности. Поскольку образец вращается относительно поляризаторов, интенсивность цветов поляризации изменяется циклически, от нуля до максимальной яркости при 45 градусах , а затем снова до нуля после 90-градусного вращения. Именно поэтому в поляризованном световом микроскопе предусмотрены вращающаяся ступень и центровка, которые являются критическими элементами для определения количественных аспектов образца. Центровка цели и этапа обеспечивает что центр вращения этапа совпадает с центром поля зрения для поддержания образца в точном центре вращанный.

Всякий раз, когда образец находится в состоянии угасания, разрешенные направления вибрации проходящего через него света параллельны направлениям либо поляризатора, либо анализатора. Этот факт может быть связан с геометрическими особенностями образца, такими как длина волокна, направление экструзии пленки и грань кристалла. В перекрестном поляризованном освещении изотропные материалы можно легко отличить от анизотропных материалов, поскольку они постоянно остаются в состоянии угасания (остаются темными) при повороте ступени на 360 градусов.

Для помощи в идентификации быстрых и медленных волновых фронтов, или для того чтобы улучшить контраст когда цвета поляризации низкого порядка (как темный серый цвет), вспомогательные плиты заторможенности или компенсаторы можно ввести в оптически путь. Это приведет к изменению цвета образца, которое может быть интерпретировано с помощью поляризационной цветовой диаграммы (диаграмма Мишеля-Леви; см. 13). Эти диаграммы иллюстрируют поляризационные цвета, создаваемые оптическими путевыми различиями от 0 до 1800-3100 нанометров вместе со значениями двулучепреломления и толщины. Волновая пластина производит свою собственную оптическую разность хода, которая добавляется или вычитается из разности хода образца. Когда свет проходит сначала через образец, а затем через вспомогательную пластину, оптические различия траекторий волновой пластины и образца либо суммируются, либо вычитаются друг из друга таким образом, чтобы вычислялись "выигрышные поля" двух последовательных гонок. Они добавляются, когда медленные направления вибрации образца и пластины замедления параллельны, и вычитаются, когда быстрое направление вибрации образца совпадает с медленным направлением вибрации вспомогательной пластины. Если медленные и быстрые направления известны для пластины замедления (они обычно отмечены на держателе коммерчески доступных пластин), то те из образца могут быть выведены. Поскольку эти направления характерны для различных сред, они хорошо поддаются определению и имеют важное значение для изучения ориентации и напряжений.

Применение поляризованной световой микроскопии

Сильные стороны поляризационной микроскопии лучше всего можно проиллюстрировать путем изучения конкретных тематических исследований и связанных с ними изображений. Все изображения, проиллюстрированные в этом разделе, были записаны с помощью микроскопа, оснащенного поляризационными принадлежностями-прибором исследовательского класса, предназначенным для аналитических исследований. Как описано выше, поляризованная световая микроскопия используется в широком спектре дисциплин, включая медицину, биологию, геологию, материаловедение и пищевую промышленность. Образцы которые охотно расмотрены между пересеченными поляризаторами происходят от разнообразие естественных и синтетических источников и включают кристаллы подагры, амилоид, ткань мышцы, зубы, минералы, твердые кристаллы, жидкостные кристаллы, волокна, сала, стекла, керамику, металлы, сплавы, среди других.

Идентификация кристаллов подагры

Одним из наиболее распространенных медицинских применений для поляризованной световой микроскопии является идентификация кристаллов подагры (моносодия урата) с пластиной замедления первого порядка. Эта практика настолько распространена, что многие производители микроскопов предлагают подагрический набор приложение для их микроскопов лаборатории светлого поля которые могут быть закуплены врачами. Подагра-это острое, рецидивирующее заболевание, вызванное выпадением кристаллов урата и характеризующееся болезненным воспалением суставов, в первую очередь стоп и кистей рук. На практике несколько капель свежей синовиальной жидкости помещают между предметным стеклом микроскопа и покровным стеклом и запечатывают лаком для ногтей, чтобы предотвратить высыхание. После того как образец был подготовлен, он расмотрен между пересеченными поляризаторами с плитой заторможенностью первого порядка введенной в оптически путь.

Мононатриевые кристаллы урата натрия растут в удлиненных призмах, которые имеют отрицательный оптический знак двулучепреломления, который генерирует желтый (вычитающий) интерференционный цвет, когда длинная ось кристалла ориентирована параллельно медленной оси замедляющей пластины первого порядка ( рис 14(а)). Поворот кристаллов на 90 градусов меняет интерференционный цвет на синий (дополнительный цвет; рис 14 (b)). Напротив, псевдо-подагрические кристаллы пирофосфата, которые имеют аналогичные удлиненные характеристики роста, проявляют синий интерференционный цвет ( рис 14 (c)) при ориентации параллельно медленной оси тормозной пластины и желтом цвете ( рис 14 d) при перпендикулярности. Знак двулучепреломления можно использовать для того чтобы продифференцировать между кристаллами подагры и теми состоя из пирофосфата. Подагру также можно идентифицировать с помощью поляризованной световой микроскопии в тонких срезах тканей человека, полученных из конечностей. Поляризованный свет также полезен в медицинской области для определения амилоида, белка, созданного метаболическими недостатками и впоследствии депонированного в нескольких органах (селезенка, печень, почки, головной мозг), но не наблюдается в нормальных тканях.

Сильные стороны поляризационной микроскопии лучше всего можно проиллюстрировать путем изучения конкретных тематических исследований и связанных с ними изображений. Все изображения, иллюстрированные в этом разделе, были записаны с помощью микроскопа Nikon Eclipse E600, оснащенного поляризационными принадлежностями, микроскопом исследовательского класса, предназначенным для аналитических исследований.

Идентификация асбестовых волокон

Асбест-это общее название для группы природных минеральных волокон, которые широко используются в качестве изоляционных материалов, тормозных колодок и для укрепления бетона. Эти материалы могут быть вредны для здоровья при вдыхании, и важно, чтобы их присутствие в окружающей среде было легко идентифицировать. Образцы обычно экранируются с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа, но поляризационная микроскопия обеспечивает более быструю и простую альтернативу, которая может быть использована для различения асбеста и других волокон и между основными типами асбеста, включая хризотил, кроцидолит и амозит. С точки зрения здравоохранения считается, что производные амфибольного асбеста (кроцидолит и амозит) являются более вредными, чем серпентин, хризотил.

Плоскополяризованный свет предоставляет информацию о морфологии грубого волокна, цвете, плеохроизме и показателе преломления. Стеклянные волокна и другие, которые являются изотропными, не будут затронуты вращением под плоскополяризованным светом, в то время как асбестовые волокна будут отображать некоторый плеохроизм. Хризотил-асбестовые фибриллы могут казаться сморщенными, как завитые или поврежденные волосы, под плоскополяризованным светом, тогда как кроцидолитовый и амозитовый асбест прямые или слегка изогнутые. Хризотил имеет показатель преломления около 1.550, в то время как показатель амозита составляет 1.692, а кроцидолит имеет самый высокий, со значением 1.695. Отметим, что значение показателя преломления изделий из амфибольного асбеста значительно выше, чем у хризотила.

С помощью скрещенных поляризаторов можно вывести допустимое направление вибрации света, когда он проходит через образец, и с помощью пластины замедления первого порядка можно установить определение медленных и быстрых направлений вибрации (рис 15). Под скрещенными поляризаторами хризотил отображает бледные интерференционные цвета, которые в основном ограничены белыми цветами низкого порядка ( рис 15 (a)). Когда добавляется пластина замедления первого порядка (значение замедления одной длины волны или 530-560 нанометров), цвета волокна преобразуются. Если волокно выровнено с Северо-Запада на юго-восток, пластина замедления является аддитивной (белая стрелка на рис 15 (b) ) и производит в основном желтые вычитающие интерференционные цвета в волокне. Когда волокно выровнено с северо-востока на юго-запад ( рис 15 (c)), плита аддитивна для того чтобы произвести подкраску более высокого порядка голубую к волокну без желтых оттенков. Из этих данных можно сделать вывод, что направление медленной вибрации пластины замедления (обозначенной белыми стрелками на рис 15 B и C ) параллельно длинной оси волокна. Амозит похож в этом отношении.

Кроцидолит отображает синие цвета, плеохроизм и мутно-коричневые поляризационные цвета. Быстрая вибрация для этого волокна параллельна с длинной осью. Таким образом, идентификация трех типов асбестовых волокон зависит от формы, показателей преломления, плеохроизма, двулучепреломления и направления быстрой и медленной вибрации.

Раскрытие истории образования горных пород

Филлит - наряду с предоставлением информации о компонентных минералах, изучение тонких геологических разрезов с помощью поляризационной микроскопии может многое рассказать о том, как формировалась порода. Филлит, метаморфическая порода, ясно показывает выравнивание кристаллов под влиянием жары и стресса. Мелкомасштабные складки видны на плоскополяризованном изображении ( рис 16 (А) ) и более четко определяются под скрещенными поляризаторами ( рис 16 (б)) С и без плиты заторможенности первого порядка. Скрещенные поляризаторы изображения показывает, что есть несколько минералов, присутствующих, в том числе кварц в сером и белом и слюды в цветах более высокого порядка. Выравнивание слюд ясно видно. Добавление пластины замедления первого порядка (рис 16С) ) улучшает контрастность для четкого определения на изображении.

Оолит-Оолит, светло-серая порода, состоящая из кремнистых оолитов, цементированных в компактном кремнеземе, образуется в море. Название минерала происходит от его структурного сходства с икрой рыб, более известной как икра. Оолит образуется в море, когда песчинки перекатываются пологими течениями по пластам карбоната кальция или других минералов. Эти минералы накапливаются вокруг песчинок, и последующая цементация превращает их в когерентные породы. На тонких срезах показаны исходные кварцевые ядра (рис 17 (а-в)), на которых происходило накопление карбонатного минерала.

В плоскополяризованном свете ( рис 17 а) кварц практически невидим, имея тот же показатель преломления, что и цемент, в то время как карбонатный минерал с другим показателем преломления показывает высокую контрастность. На скрещенном изображении поляризатора (рис 17, Б) видны зерна кварца в серых и белых оттенках, а также карбонат кальция в характерных бисквитных окрашенных белках высокого порядка. Группы кварцевых зерен в некоторых кернах показывают, что они являются поликристаллическими и представляют собой метаморфические кварцитовые частицы. Когда пластина замедления первого порядка вставляется в оптический тракт ( рис 17 (c)), оптически разницы в пути будут явными в образце, и контраст увеличен.

Природные и синтетические полимеры

В процессе затвердевания расплавов полимеров может происходить некоторая организация полимерных цепочек, процесс, который часто зависит от условий отжига. Когда происходит зарождение, синтетические полимерные цепи часто располагаются тангенциально, а затвердевшие области растут радиально. Их можно увидеть в скрещенном поляризованном освещении в виде белых областей, называемых сферолитами, с отчетливыми черными крестами вымирания. Когда эти сферолиты соприкасаются, их границы становятся полигональными. Это можно ясно увидеть в скрещенных поляризаторах, но не под плоскополяризованным светом.

Добавление пластины замедления первого порядка (рис 18 а) подтверждает тангенциальное расположение полимерных цепей. Связывание, происходящее в этих сферолитах, указывает на медленное охлаждение расплава, что позволяет полимерным цепям расти по спирали. Эту информацию по тепловой истории практически невозможно собрать никаким другим способом. Нуклеация в расплавах полимеров может происходить в результате случайного загрязнения или контакта с нуклеирующей поверхностью и может привести к существенному ослаблению продукта. Идентификация нуклеации может быть ценным подспорьем для контроля качества.

Другие полимеры не могут быть двулучепреломляющими (о чем свидетельствует образец поликарбоната, показанный на рис 18 (b)) и не имеют существенной вторичной или третичной структуры. В других случаях как биологические, так и синтетические полимеры могут претерпевать ряд лиотропных или термотропных жидкокристаллических фазовых переходов, которые часто можно наблюдать и регистрировать в поляризованном световом микроскопе. На рис 18 (с) показана двулучепреломляющая столбчато-гексатическая жидкокристаллическая фаза, проявляющаяся в виде стержнеобразных молекул ДНК при очень высоких концентрациях водного раствора (более 300 мг/мл).

Нейлоновые волокна-наблюдения под плоскополяризованным светом (рис 19, а) показывают различия в показателях преломления между нейлоновым волокном и монтажной средой, а также наличие глушащих частиц диоксида титана. Изображение под скрещенными поляризаторами (рис 19 (b) ) показывает поляризационные цвета второго и третьего порядка и их распределение по волокнам указывают на то, что это цилиндрическое, а не лопастное волокно, полезное для прогнозирования механической прочности. Использование кварцевого клина (рис 19(c) ) позволяет определять оптические разности траекторий для измерения двулучепреломления.

Таким образом, поляризационная микроскопия дает огромное количество информации о составе и трехмерной структуре различных образцов. Практически неограниченная по своему объему, методика позволяет выявить информацию о термической истории и напряжениях и деформациях, которым подвергался образец в процессе формирования. Поляризационная микроскопия, полезная в производстве и исследованиях, является относительно недорогим и доступным инструментом исследования и контроля качества, который может предоставить информацию, недоступную с помощью любого другого метода.