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    北京pk10输死多少人:尼康显微镜:光学双折射简介

    2013-10-16  发布者:admin 

    双折射的正式定义为双折射光在透明,分子排列的材料,它是表现的姿态相关的折射率不同而存在。许多透明固体光学各向同性的,这意味着在所有方向上的折射率等于整个晶格。各向同性固体的例子是玻璃,表中的盐(氯化钠,在图1(a)所示),许多聚合物,和各种各样的有机和无机化合物。

    birefringencefigure1

    最简单的立方晶格结构,示出在图1(a)中,所有的钠离子和氯离子的安排,以均匀的间距排列的沿三个相互垂直的轴的氯化钠的分子模型。每个氯离子(静电保税)六个人的钠离子,反之亦然钠离子所包围。图1(b)中示出的晶格结构表示方解石(碳酸钙),它由一个相当复杂的,但高度有序的三维阵列的钙和碳酸根离子。方解石具有各向异性与光在一个完全不同的方式比各向同性晶体的晶格结构。在图1(c)所示的聚合物是无定形的,没有任何可识别的周期性的晶体结构。聚合物通常具有一定程度的结晶顺序,可能会或可能不会是透光的。

    晶体被分类为各向同性或各向异性的光学行为,并根据是否其晶轴是等价的。所有的各向同性的晶体具有等效的轴,与以类似的方式,无论相对于入射光波的晶体取向。进入各向同性晶体的光被折射在一个恒定的角度,并通过在一个单一的速度,而与电子元器件的晶格相互作用极化晶体。

    术语“ 各向异性“指的是一个非均匀的空间分布特性,从 ??而导致不同的值时获得标本内的材料相同的材料从几个方向探测。观察到的性能往往是依赖于特定的探头,并经常变化取决于是否将所观察到的现象是基于光,声,热的,磁的,或电事件。另一方面,如上所述,各向同性性能保持对称的,无论测量方向上,与每个不同的探针相同的结果报告。

    各向异性晶体,如石英,方解石,电气石,有结晶学轴和与光相互作用的一种机制,它是依赖于结晶晶格的方向相对于入射光的角度。当光进入各向异性晶体光轴,它的行为与各向同性晶体的相互作用类似的方式,通过在一个单一的速度。然而,当光入射的非相当于轴,它被折射成两条光线,每个振动方向与极化定向为彼此成直角(互相垂直),并以不同的速度。这种现象被称为 折射双折射,并展示在各向异性晶体中所有的或大或小的程度。

    电磁辐射通过空间传播的振荡交替的正弦图案,是彼此垂直的,波的传播方向的电场和磁场矢量。由于可见光是由电气和磁性元件,通过的物质是光的速度部分地取决于该材料的导电性。通过透明的水晶光波必须与局部电场在他们的旅途。电信号途经的材料的相对速度随不同的信号的电子结构及其相互关系,以及确定的属性的材料介电常数。是由固有的晶格电矢量的方向和波的电矢量分量的方向矢量的定义,通过它传递的光波和晶体之间的相互作用关系。因此,认真考虑各向异性材料的电学性能,了解如何与光波的材料,因为它通过传播的基础。

    birefringencefigure2

    电磁定律,英国数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪60年代首次提出了基于双折射现象。他的精心制作的系列方程表明,通过材料的光的速度相等的速度的光在真空中()除以材料的介电常数(E的平方根乘以的磁磁导率()的产品培养基中。在一般情况下,生物和相关材料的磁导率非常接近1.0,许多导通和不导通感兴趣的显微镜标本。因此,相关的介电常数的材料的折射率,通过一个简单的等式:

    ε = n2

    ε是一个变量,表示的介电常数, n是测量材料的折射率。这个方程是来自特定频率的光的多色光的分散的材料,因为它通过忽略。各向异性的晶体是由具有不同电气性能取决于从哪个方向,他们正在探讨的复杂的分子和原子晶格取向。其结果是,折射率也随方向的光穿过各向异性晶体时,产生特定方向的轨迹和速度。

    也许最引人注目的双折射示范有碳酸钙(方解石)晶体发生,如在图2中示出。方解石的菱面体解理块产生的两个图像时,它被放置在一个对象上,然后反射光通过晶体观察。其中出现的图像通?;岜辉て诠鄄煲桓鑫锾迨?,通过透明玻璃或各向同性晶体,而其他的图像会略显流离失所,由于双折射光的性质。当各向异性晶体折射光线,他们分裂入射光线分为两部分,在他们通过水晶之旅,并采取不同的路径,成为单独的光线。这种不寻常的行为,如上面所讨论的,归因于晶格中的原子排列。由于原子的精确的几何顺序不是相对于结晶轴对称的,通过晶体的光线,可利用由折射率不同的,根据的传播方向。

    的各向异性晶体的光线通过服从的正常折射定律,在每一个方向以相同的速度行进,通过晶体。这种光线被称为普通射线。的其他光线行进的速度取决于在晶体内的传播方向,被称为射线非凡。因此,各光线进入晶体被分成一个普通的和非常光线的晶体作为具有其的平面是相互垂直的电场矢量振动的直线偏振光的光线从遥远的尽头。

    birefringencefigure3

    图2至4中所示的这些现象都是。图3(b)条的方解石晶体,被定位在大写字母à在白色的纸张证明观察到晶体的双重影像。如果晶体要慢慢地绕信,文字的图像之一保持静止,而其它的进动在一个360度的圆形轨道上绕第一。的方向电矢量的振动面在普通(O)和(E)一倍在图3(b)中的箭头线表示光线非凡。请注意,这些轴是相互垂直的。也表明,这使得与所有三个晶面接合的角相等的角度(103度),该晶体的光轴的晶体的下部。方解石的双折射的程度是如此明显,信à由普通和特殊光线的图像是完全分开的。这种高水平的双折射各向异性晶体中没有观察到。

    透明的二向色偏振器可以被用来确定在方解石晶体,图3(a)和图3(c)中提出的非凡的和普通的光的电矢量方向。当偏振器是面向具有电向量在水平方向上取向,使所有的光波传输(图3(a)),具有相似的矢量在垂直方向上的波吸收,反之亦然(图3(c))。方解石晶体,在图3中,异常光线具有垂直电矢量的振动角,偏振器时,被吸收的方向在水平方向(图3(a))。在这种情况下,唯一的光从普通的射线通过是唯一一个观察文字的偏振器和其对应的图像。偏振器时打开,使振动传播的方向是垂直方向(图3(c)),与此相反,正常光线被阻止和所产生的非寻常光的字母的图像是唯一的一个可见的。

    在图3中,产生的正常和非常光线的入射光线进入结晶在相对于光轴倾斜的方向,并负责观察到双折射字符。的各向异性晶体的行为是不同的,但是,如果入射光进入晶体在平行或垂直于光轴的方向上,图4中提出的。当进入入射线垂直于光轴的晶体,它被分离成正常和非常光线中,如上所述,但以不同的途径,而不是这些射线的轨迹是一致的。即使正常和非常光线从晶体出现在同一位置,它们表现出不同的光学路径长度,并随后在相移相对于彼此(图4(b))。刚才描述的两个例示出在图4(a)为倾斜的情况下(参见图2和图3),图4(b)的情况下,入射光垂直于光轴的双折射晶体。

    的情况下,影响入射光线的方向平行于光轴的方向(图4(c))中的晶体,它们的行为为普通的光线,没有分离成单个组件,通过各向异性的双折射晶体。方解石和其他各向异性晶体的行为,就好像它们是在这些情况下,各向同性材料(如玻璃)。刚刚从晶体的光线的光路长度是相同的,并且没有相对相移。

    birefringencefigure4

    虽然是很常见的交替使用术语双重折射和双折射表示的各向异性晶体的能力,分为普通和特殊光线入射光分开,这些现象实际上是指在同一进程的不同表现形式。分为两个可见的物种,每一个不同的角度折射,光线的具体分工是双折射的过程。与此相反,双折射率是指分离,这是存在的折射率的变化是敏感的方向上的几何排列的材料的物理起源。折射率,双折射,通过各向异性晶体之间的的非凡和普通光线行进中的差异是可计量的数量,并且可以作为一个绝对的值由下式表示:

    双折射光 (B) = |ne - no|

     

    其中neno所经历的平凡和普通光线的折射率分别。此表达式成立的异常传播的光波沿着光轴的晶体的各向异性晶体的任何部分或片段。由于每个组件的折射率值可以变化,这种差异的绝对值确定总的双折射量,但双折射符号将是一个正或负的值。的双折射符号的判定分析方法是利用各向异性标本类,其中被称为正面或负面双折射隔离。检体的双折射的是不是一个固定的值,但将随晶体的取向相对于入射角的照明。

    光程差是一个经典的光学双折射的概念,并且被定义为正常和非常光线之间的相对相移,因为它们产生的各向异性的材料。一般情况下,光程差的计算的折射率乘以试样的厚度,但只有当介质是均匀的,并且不包含显着的折射率差或梯度。这个数量,以及双折射的价值,通常以纳米和试样厚度的增加变大。对于一个系统具有两个折射率值(N(1)N(2) ),光程差(D)从方程确定:

    Optical Path Difference D = (n1 - n2) ? t (Thickness)

    为了考虑正常和非常光线的相位关系和速度之间的差异后,通过双折射晶体,称为数量

    往往是确定

    相对相位差。正如上面所提到的,这两个光取向,使它们彼此成直角振动。每条射线会遇到一个稍微不同的电气环境(折射率),因为它进入晶体,这将影响速度射线穿过晶体。由于折射率的差异,射线通过晶体,以较慢的速度比其他射线。换言之,速度较慢的射线滞后相对于更快的射线。此相位差值(相对相位差),可以定量地确定使用下面的公式:
     

    Retardation (Γ) = Thickness (t) x Birefringence (B) 
    or 
    Γ = t ? |ne - no|

    ?是定量的相位差的材料,的双折射晶体的厚度(或材料),是测得的双折射,如上述定义。的相位差值的贡献的因素是看到的正常和非常光线的环境中,并且还用试样的厚度折射率的差异的大小。显然,更大的厚度或折射率差,波之间的相位差的程度就越大。矿物方解石的早期临床观察表明较厚的方解石晶体造成分裂看透的晶体,如图3中所示的图像的较大差异。本观察同意上面的公式,这表明晶体(或样品)的厚度将增加迟缓。

    一个普通的光在双折射晶体的行为可以被描述惠更斯原理的基础上在均匀的介质中(如在图5中示出)从一个点光源所产生的小波球形波前。这些波的传播通过各向同性晶体以恒定的速度发生,因为波所经历的折射率(图图5(a))在所有方向上是均匀的。与此相反,扩大非凡的波的波阵面,遇到的折射率变化的方向(参见图5(b))为一个函数,可以由旋转椭圆面。

    birefringencefigure5

    非同寻常波速度的上限和下限定义的椭圆体的长轴和短轴(图图5(c))。于长轴的椭圆形,这是被称为“ 平行的方向上传播时,波阵面到达其 ??最高速度。另一方面,最慢的波阵面发生时,波沿短轴的椭球。此轴被称为轴。在这两个极端之间,在其他方向行驶的波阵面经历的梯度折射率,这是依赖于方向,中间值和传播的速度。

    透明晶体材料一般分为两类,由数量定义中存在的分子晶格的光轴的 单轴晶体的光轴有一个单一的,包括常见的双折射标本,包括方解石,石英最大的家族,下令合成或生物结构。其他主要类别是双轴晶体,双折射材料,具有两个独立的光轴。在单轴晶体中的普通和特殊的波阵面在缓慢或椭球的快轴相一致,根据折射率的分布在晶体内(如图6所示)。这些光线之间的光程差或相对相位差来确定由一个波在另一个后面沿传播方向的面波阵面的滞后性。

    在平凡和不平凡的波阵面的情况下,椭球长或长轴相一致,那么所经历的非凡波的折射率大于普通波(图6(b))。这种情况被称为“正双折射。但是,如果在普通和特殊的波阵面重叠在短轴的椭球(图图6(a)),那么相反的是真实的。通过普通波的折射率的效果,超过的异常波,被称为负双折射性的材料。甲示意椭球有关的方向和晶体材料中的折射率的相对大小,就是所谓的折射率椭球,并在图5和图6中示出。

    birefringencefigure6

    返回到图2中的方解石晶体,晶体的光轴定位在最佳的左角被示为具有。在进入晶体中,普通的光波不偏离正常入射角折射,就好像它是通过各向同性介质中。或者,异常波偏离的左侧和普通波与电矢量垂直于行进。由于方解石是一种负双折射晶体,普通波慢波和非凡的波快波。

    双折射晶体在偏光显微镜

    正如上面所提到的,光被双重折射,通过各向异性的晶体取向相互垂直的普通和特殊的光波电矢量的振动方向的偏振光。现在可以用光学显微镜在交叉偏振光照明下的各向异性晶体的行为进行检查。图7示出的两个偏振器之间的振动方向彼此垂直的取向(和躺在的箭头所示的方向,偏振器和分析器标签旁边)的下一个双折射各向异性晶体。

    非偏振光照明灯的白光从进入偏振器的左边,是一个方向的线偏振光,在所示的方向由箭头(相邻的偏振片标签),表示的是任意一个红色的正弦光波。接着,偏振光进入折射分为振动平行于晶轴相互垂直的两个独立的部件(冲开和填充光波)的的各向异性晶体(装在显微镜载物台)。偏振光波,然后通过分析器(其偏振分析仪标签按箭头所示的位置),这使得只有那些组件到分析仪的透射方位平行的光波通过旅行。相对于另一条光线的相对相位差的指示涉及正常和非常光线之间的折射各向异性晶体中的速度的变化由等式(折射率差乘以厚度)。

    birefringencefigure7

    为了更仔细地研究双折射各向异性晶体与偏振光的大乐透专家杀号定胆,将被视为一个单独的晶体的属性。与试样的材质是一个假设的四方晶系,双折射晶体取向的晶体的长轴平行的方向上具有光轴。光线进入晶体的偏振器将前往垂直于光轴的晶体的光(长 ??)。图8中的插图呈现晶体,因为它会出现在交叉偏振光照明下,因为它是在大乐透专家杀号定胆的目镜大乐透专家杀号定胆光轴绕。图8中在每个帧中,显微镜偏振器的轴所表示的大写字母P,一个东-西(水平)方向的取向。显微镜分析仪是由字母A表示的轴线和南北(垂直)方向的取向。这些轴是相互垂直的,导致一个完全暗场显微镜载物台上的试样上没有通过目镜观察时。

    图8(a)示出的各向异性的四方晶系,双折射晶体在一个方向上长(光纤)的晶体轴位于平行于偏振器的传输方位角。在这种情况下,通过偏振器的光,并且随后通过晶体,是在一个平面上,平行于偏振器的方向振动。因为没有在晶体入射的光折射到不同的平凡和不平凡波,各向同性的光波穿过晶体不能产生电矢量振动在正确的方向遍历分析仪和产生干扰的影响(见水平箭头在图8(a)和下面的讨论)。因此晶体很暗,几乎看不见的黑色背景。为说明的目的,图8中所示的晶体,(a)是不完全灭绝的(因为它会在交叉的偏振器之间),但通过红色光的一小部分,使读者注意的晶体的位置。

    经典的显微镜这个定位为晶体消光位置,重要的是作为一个参考点确定各向异性材料的折射率,用偏光显微镜。通过除去划线偏光显微镜分析仪,允许单方向的偏振器的光的振动通过与双折射晶体中的一个电气部件。该技术允许一个单一的折射率测量的偏析。接着,剩余的双折射材料的折射率可以通过起偏器的旋转90度进行测量。

    birefringencefigure8

    在图8(b),其中的长轴(光学)定位在一倾斜角()相对于偏振器传输方位的晶体的情况是非常不同的,这种情况带来的显微镜载物台的转动通过。在这种情况下,晶体的偏振器的光入射时的一部分被传递到分析仪。要取得的分析仪的光通过的量的定量估计,来解决这个问题,可以应用简单的矢量分析。第一步是确定偏振片Ø É(参见图8(b),这是上面所讨论的信函是指以普通(O)射线和非凡()射线)的贡献。向量的预测下降到偏光镜的轴,并承担1 Ø É,这是成正比的实际普通和非凡的射线强度的任意值。从偏振片的贡献öe与指定的xy的偏光片上的轴(P)在图8(b)中的黑色箭头所示。这些长度,然后测量载体ë键(指定的向量作为红色箭头所示),然后将它们加在一起,以产生合成矢量,R' 。从所得的一种投影仪轴(A生产的绝对值,?。分析仪上的轴的值?分析仪的光通过的量成比例。结果表明,从偏振片的光的一部分穿过分析仪和双折射晶体显示某种程度的亮度。

    长(光学轴)的晶体取向时,观察到在一个45度的角度相对于偏振器和分析器,图图8(c)所示,在最大亮度为双折射材料。Ø É向量的预测跌落到偏振轴(P)的贡献决定从偏振片这些向量。当这些突起上的向量,所得到的测量可确定完成到分析仪的轴(A的矩形。刚才所描述的技术将适用于任何晶体的取向,因为相对于偏振器和分析器轴öe是总是彼此成直角,唯一的区别是öe的方向相对于晶轴。

    当普通和特殊光线产生的双折射晶体,他们仍然在正确的角度振动尊重彼此。然而,这些波的组成部分,通过分析仪的振动在同一平面上(如图8所示)。因为一个波的波之间发生滞后相对于给对方,干扰(或长或相消),因为他们通过分析仪。最终的结果是,一些双折射样品取得观察时,在交叉的偏振器的白光通过利用不同颜色。

    birefringencefigure9

    双折射样品中观察到的干涉色定量分析通常是通过咨询米歇尔征收在图9示??出了一个类似的图表。从该曲线图中是显而易见的,偏振的颜色在显微镜可视化,并记录到胶片上,或捕获的数字可以是相关的与实际相位差,厚度,和双折射的试样。下图是比较容易使用双折射样品,如果有两个已知的三个必需的变量。当试样被放置在显微镜在交叉的偏振器之间的旋转的各种相位差板的任一个的位置的最大亮度,颜色在目镜可视化可以被追踪的延迟轴之间的普通的波长差和非凡的波通过试样。另外,通过测量的各向异性样品的折射率,并计算它们的差(双折射),干涉色(次)可以沿图表顶部的双折射值确定。通过外推成角度的纵轴线,试样的厚度也可以被估计。

    马克米歇尔利维图(x轴)的下段的命令的相位差大约为550纳米的倍数。0和550纳米之间的区域被称为一阶偏振颜色,发生在550纳米区域的品红色,通常被称为一阶的红色。在550纳米到1100纳米之间的颜色被称为二阶的颜色,等等,直到图表。在图表的开始被称为零阶的黑的黑色的颜色。许多印刷教科书积高阶色彩第五或第六的顺序米歇尔-列维图表。

    最敏感的区域的图表是一阶红色(550纳米),因为即使是微小的延迟变化导致颜色急剧转向波长青色或向下黄色。许多显微镜制造商提供一个全波相位差板的偏光显微镜帮助科学家确定双折射材料的属性一阶红补偿,利用这种敏感性。

    双折射分类

    虽然双折射许多各向异性晶体,如方解石和石英的固有特性,也可以从其他的因素,如结构的顺序,物理应力,变形,流过一个受限制的导管,和应变产生 固有双折射是一个术语,利用描述天然存在的材料的折射率是与方向有关的不对称。这些材料包括许多天然和人工合成晶体的各向异性,矿物质,和化学品。

    结构双折射是一个术语,适用于广泛的,包括生物大分子组件,如染色体,肌肉纤维,微管,液晶DNA,如头发的纤维蛋白结构的各向异性地层。不同于许多其他形式的双折射,双折射结构往往是敏感的周围介质的折射率波动或梯度。此外,许多合成材料也表现出双折射结构,包括纤维,长链聚合物,树脂,复合材料。

    应力应变双折射的发生是由于外力和/或作用于自然双折射材料,不变形。例如拉伸薄膜和纤维,变形,玻璃和塑料镜头,和聚合物强调铸件。最后,可能会发生由于双折射的材料,例如在流体流动的存在下,成为有序的非对称聚合物的取向诱导。杆状和板状分子和大分子组件的,如超高分子量DNA和洗涤剂,往往利用流动双折射研究作为候选人。

    最后,双折射的现象表现的不对称性的特性,可能是??光,电,机械,声学,或磁性质。宽谱的材料显示不同程度的双折射,但具体利益的光学显微镜的这些标本都是透明的,容易观察到偏振光。



    沪公网安备 31011202003519号

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