偏光显微镜及其相关基础知识

偏光显微镜简介

偏光显微镜是在光学显微镜的光学系统中插入了起偏振镜和检偏振器，用以检查样品的各向异性和双折射性的显微镜。起偏振镜和检偏振镜通常由偏光棱镜或偏光板的尼科耳（Nicol）棱镜制成。前者安装在光源与样品之间，后者则安装在接物镜与接目镜之间或接目镜之上。在生物样品中，如肌肉纤维、骨骼和牙齿等具有各向异性，而淀粉粒、染色体和纺锤体等则具有双折射性，这使得偏光显微镜在组织细胞的化学研究中具有重要应用。由于生物样品的双折射性相较于金相、岩石或结晶显著微弱，因此有时也利用敏感的检偏振板造成的相加相减现象，通过观察其干涉色来进行研究。光源方面，最好使用单波长光线。

偏振光的基础知识

一、自然光和偏振光

光是一种电磁波，属于横波（振动方向与传播方向垂直）。实际光源，如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光，均称为自然光。这些光是由大量原子、分子发光的总和构成的，虽然某一瞬间某个原子或分子发出的电磁波振动方向一致，但各个原子和分子发出的振动方向各不相同，且变化频率极快。因此，自然光可视为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。

当自然光通过某些物质，经过反射、折射、吸收后，电磁波的振动波会被限制在一个方向上，其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。

二、直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光

1. 直线偏振光

直线偏振光是指光线的振动方向都在同一个平面内，因此又称为平面偏振光。正对光的传播方向看去，这种光的振动方向是一条直线，所以又称直线偏振光或线偏振光。

1. 圆偏振光和椭圆偏振光

– 光的双折射现象和晶体的光轴

 当一束光线射入各向异性的晶体中时，会分裂为两束沿不同方向传播的光线，这种现象称为双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。其中一束光线恒遵守光的折射定律，在改变入射方向时传播速度不发生变化，这条光线称为寻常光线（o光）；另一束光线不遵守折射定律，当入射光线方向变化时，其传播速度也随之变化，光的折射率不同，这束光称为非常光（e光）。

 在各向异性晶体中，存在某些特殊方向，在这些方向上不发生双折射，寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同，这些方向称为晶体的光轴。有一个光轴的晶体称为一轴晶，有两个光轴的晶体称为二轴晶。对于二轴晶，双折射后的两束光线均为非常光线。

– 波晶片

 波晶片简称波片，可用于改变或检验光的偏振情况。当自然光沿一轴晶光轴入射时，不发生双折射现象。如果垂直于晶体光轴入射，则产生的o光和e光仍沿原入射方向传播，但传播速度和折射率不同，且传播速度相差最大。在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片，使晶片表面与光轴平行，这样制得的晶片称为波晶片。当偏振光垂直于波片光轴入射时，在波片内形成传播方向相同但传播速度不同的o光和e光。

 根据波片的厚度和折射率的不同，可分为全波片、半波片和1/4波片等。

– 圆偏振光和椭圆偏振光的形成

 一束自然光以垂直于一轴晶的光轴方向入射时，所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。然而，当一束单色偏振光通过双折射物质后，所产生的两束偏振光是可以相干的。这两束偏振光的合成相当于两个互相垂直的同周期振动的合成。

 当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时，会产生两束偏振光（o光和e光）。由于o光和e光的相位差不同，它们可以合成为直线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。通过改变晶片的厚度，可以得到不同相位差的o光和e光。当相位差为π/2的偶数倍时，可产生直线偏振光；当相位差为π/2的奇数倍时，可产生圆偏振光；当相位差不是π/2的整数倍时，则可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆，而椭圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个椭圆。圆偏振光和椭圆偏振光在每一瞬间只有一个振动方向，因此仍属于偏振光。