Преимущества поляризационной микроскопии. Как выбрать поляризационный микроскоп?

Время чтения: 18 минут

Принцип поляризации света - важное понятие в оптике и физике.

Поляризация имеет широкий спектр практических применений, от оптических коммуникаций и поляризационных фильтров до регистрации поляризационно-чувствительных изображений, подавления бликов и отражений. Анализируя, а также используя принципы поляризации света, мы обретаем понимание и контроль над светом, которые иначе были бы нам недоступны.

В сущности, поляризация света (ПС) – это модернизация исходного излучения до такого состояния, при котором его электромагнитные составляющие будут сориентированы определенным образом.

Линейная поляризация (ЛП) создается и используется чаще. Чтобы сформировать ЛП, хаотично направленная электрическая напряженность исходной световой волны должна быть сориентирована вдоль одной оси перпендикулярной пути распространения света.

В окружающей природе поляризация встречается повсюду. Чаще ее увидеть на примере отраженного света. В качестве примера можно привести блики на воде или нижний мираж на автомобильной дороге. Частично поляризованный свет исходит от неба, радуги, а также других атмосферных оптических явлений.

Поляризацию света создают одноосные кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением.

Разложение сопровождается поляризацией, а сами лучи называются как обыкновенный и необыкновенный. Поляризованные лучи взаимно перпендикулярны, а направление их хода отклоняется и идет под определённым углом к исходному лучу. К материалам обладающим двойным лучепреломлением относятся: кальциты (исландский шпат), бериллы (аквамарин, изумруд), ниобат лития, кварцы (аметист, хрусталь, оникс), корунды (рубин, сапфир), а также ряд других минералов.

Искусственные поляризаторы делятся по способу создания поляризованного света. Эти механизмы классифицируются на поглощающие, а также разделяющие.

Поглощающие – используют такое свойство кристаллов, как линейный дихроизм.

То есть возникает не поляризация всего проходящего света, а поглощение тех лучей, у которых направление колебаний отличается от оси пропуска кристалла. Это снижает мощность светового потока, при высокой интенсивности излучения вызывает нагрев поляроида.

Разделяющие (светоделительные) поляризаторы делят падающий на них луч на два поляризованных. Каждый из них различается направлением хода, а также ориентацией линейной поляризации. Преимущество таких механизмов - они практически не поглощают энергию проходящего света. Это позволяет производить поляризацию высокоэнергетических излучений (инфракрасного, ультрафиолетового, а также мощного лазерного излучения). Без повреждения поляроида.

Для разделения методом отражения Френеля необходима стопка из прозрачных пластин, через которую под определенным углом будет проходить свет. На границе раздела сред каждой пластины и происходит светоделение. Эффективность метода сильно зависит от угла падения света, а также числа используемых в стопке пластин. Также результирующий луч «размывается». Причем этот эффект тем сильнее, чем больше используемых пластин.

Тонкопленочные поляризаторы (TFPN – thin-film linear polarizers) – стеклянные пластинки со специальным покрытием, создающим эффект интерференции или отражение Брюстера. Они дешевле в производстве и компактнее, но менее эффективны двулучепреломляющих кристаллов.

Более популярны анизотропные материалы, обладающие двойным лучепреломлением. На их основе конструируются призмы Николя, Глана и Воластона, обладающие высоким коэффициентом пропуска, а также эффективностью поляризации. Поляроидные призмы используют в профессиональной оптике, а также микроскопии в качестве разделяющих устройств. Чтобы создать поляроидную призму, в качестве материалов используют натуральные природные кристаллы, например, кальцит и кварц, а также искусственные (синтетический рутил, искусственный кварц и другие).

В его конструкции есть поляризатор и компенсатор перед конденсором, анализатор за линзой объектива и градуированный вращающийся круговой предметный столик.

Далее - основные элементы, составляющие конструкцию поляризационного микроскопа (ПМС).

ПМС оборудуются специализированным предметным столиком. Его особенностью является возможность вращения на 360 градусов в любую сторону. Эта функция используется для облегчения проводимых исследований. Столик специально откалиброван так, чтобы ось его вращения идеально совпадала с оптической осью микроскопа, а также центром поля зрения.

Большинство столиков, используемых в микроскопах поляризованного света, также содержат нониусную шкалу. Она позволяет измерять угол поворота столика с точностью до 0,1 градуса.

Если конструкция микроскопа предусматривает возможность получения коноскопических изображений, то они оборудуются универсальными столиками с несколькими осями вращения. Это позволяет наблюдать за образцом с любого направления.

Напряжение, возникающее в стекле объектива в процессе его производства или при неправильной установке, приводит к появлению ложных оптических эффектов. Сильнее всего это проявляется при работе с поляризованным светом. Внутренние искажения, возникающие в линзах, отрицательно сказываются на качестве получаемых ПМС изображений. Поэтому объективы, используемые для проведения наблюдений в поляризованном свете, существенно отличаются от обычных. Во-первых, отличить их можно по специализированной маркировке. На их корпусе выполняется надпись «Pol», «PO» или «P».

Во-вторых, на характеристики объектива влияют несколько факторов. Первое – это качество антиотражающего покрытия, наносимого на поверхность линзы. Второе – эффекты преломления, возникающие при определенных углах падения света на линзу, находящуюся первой. Помимо этого, искажения могут возникать на цементном стыке, находящемуся между группой установленных линз. Также это может происходить из-за слишком плотной установки одной линзы или группы линз в оправу объектива.

На этапе производства, а также сборки всех элементов МС практически не реально добиться идеального положения оптической оси объектива. Поэтому для компенсации отклонений многие поляризационные микроскопы оснащаются специальной револьверной головкой. Ее конструкция содержит специальный центрирующий механизм, позволяющий центрировать каждый объектив в отдельности относительно предметного столика и оптической оси МС. Такая регулировка позволяет оставаться исследуемому элементу образца всегда в центре поля зрения, даже когда предметный столик поворачивают вокруг своей оси на 360 градусов.

Конденсоры, используемые для исследований в поляризованном свете, обладают несколькими общими чертами. Во-первых – это использование специальных линз без внутренних искажений, а также внешних деформаций. Некоторые конденсоры оснащены гнездом для установки поляризатора или имеют встроенный поляризующий элемент. Его устанавливают под апертурной диафрагмой непосредственно в самом конденсоре. Также многие конденсоры, используемые в ПМС имеют специальную верхнюю линзу, которую можно убрать (конденсор с поворотной линзой) с пути прохождения света.

Это позволяет генерировать почти параллельные волновые фронты освещения для наблюдений при малом увеличении, а также двойном лучепреломлении.

Окуляры, используемые для поляризованного света, обычно снабжены перекрестием или сеткой. Они необходимы для быстрого определения центра поля зрения. Довольно часто окулярную сетку в виде перекрестия заменяют специальной сеткой, используемой для съемки микрофотографий. Она помогает быстро сфокусироваться на образце, а также скомпоновать набор из нескольких кадров. Объединение нескольких снимков расширяет область поля зрения, которую нужно зафиксировать в цифровом виде, либо на фотопленке. Ориентация окуляра по отношению к поляризатору и анализатору отмечается заостренным штифтом, который вставляется в гильзу тубуса наблюдения.

Во многих поляризационных микроскопах, в промежуточном тубусе или внутри окулярного тубуса, размещается специальная линза – линза Бертрана. Она предназначена для формирования интерференционной картины в задней фокальной плоскости объектива, а также проецирования изображения на его заднюю фокальную плоскость. При этом конструктивно объектив спроектирован так, чтобы можно было легко исследовать заднюю фокальную плоскость.

Точно отрегулировав освещающую апертурную диафрагму можно увидеть интерференционные фигуры, подобные тем, что представлены на следующих рисунках.

Такие изображения называются коноскопическими, а метод исследования – коноскопией. Коноскопия применяется при исследовании оптических свойств различных кристаллов.

Многие поляризационные микроскопы имеют прорезь, предназначенную для размещения в ней замедляющих пластин и/или компенсаторов. Эти элементы ПМС применяются для увеличения в образце разности оптических путей. Большинство современных конструкций микроскопов имеют эту прорезь. Она размещается либо в револьверной головке микроскопа, либо в промежуточном тубусе, расположенном между корпусом и тубусами окуляра. Компенсационные пластины, вставленные в прорезь, располагаются между образцом и анализатором.

Принцип работы поляризационных микроскопов основан на явлении поляризации, это ориентация световых волн в одном направлении.

Микроскопы, работающие с поляризованным светом, оснащены двумя фильтрами-поляроидами. Их назначение – контроль количества света, проходящего через исследуемый образец. При помощи анализатора, который является третьим фильтром ПМС, можно проанализировать, как поляризованный свет взаимодействует с образцом. Также они помогают в создании высококонтрастного двухмерного изображения исследуемого объекта.

Поляризационная микроскопия является мощным инструментом в многих научных направлениях, от минералогии до биологии, благодаря ее способности предоставлять подробную информацию о структуре, составе, а также размере образца.

Поляризационный микроскоп — отличный инструмент для научных исследований. Он позволяет получать информацию об исследуемых объектах, которая при работе с обычным микроскопом осталась бы незамеченной.

Поляризационные микроскопы высокочувствительны. Поэтому с ними эффективно выполняют качественные и количественные исследования, направленные на изучение большого разнообразия анизотропных веществ.

Качественной поляризационной микроскопии посвящены многочисленные научные труды. Она очень распространена и популярна в прикладной науке. Напротив, поляризационная микроскопия, в аспекте количественных измерений, распространена в основном в кристаллографии. Причина этому – более высокая сложность анализа получаемых изображений, а также интерпретации результатов. Поэтому основными областями количественной поляризационной микроскопии остаются: геология, минералогия, а также химия. Однако современные достижения в области автоматизации измерений, их анализе и интерпретации позволили расширить область применения ПМС по изучению двулучепреломляющих объектов на биологию, генетику, а также ряд других областей науки.

Будучи мощным и надежным научным инструментом, поляризационный микроскоп чрезвычайно универсален и может использоваться для решения множества задач, таких как анализ оптических свойств материалов и изучение кристаллических структур, что позволяет глубже понять различные научные явления.

Кроме того, поляризационные микроскопы также используются для исследования полимерных пленок, изучения свойств красок, а также различных покрытий, определения распределения минералов и органических веществ в почвах и даже для наблюдения за оптическими свойствами тканей человека и животных. Применение поляризационных микроскопов практически безгранично. Поэтому этот невероятный инструмент продолжает оставаться бесценным достоянием научного сообщества.

В металлографии в поляризованном свете изучается внутренняя микроструктура сплавов, а также металлов. Этот метод исследования использует поляризованное освещение для изучения внутренних особенностей материала. Микроскоп манипулирует светом, чтобы идентифицировать особенности зерна в материале. А затем, на основе этой информации, исследователь может определить механические и физические свойства материала. Металлография в поляризованном свете — полезный метод исследования металлов и сплавов для множества областей исследований, а также отраслей промышленности.

Когда дело доходит до выбора поляризационного микроскопа, в первую очередь нужно обратить внимание на производителя. Выбор крупного и надежного бренда, например такого, как Opto-Edu гарантирует качество, а также надежность всех узлов и элементов устройства.

Также, важно учитывать особенности и возможности рассматриваемой модели. К ним относятся: возможность работы с отраженным и проходящим светом, наличие тринокулярной насадки, число и характеристики объективов, наличие линзы Бертрана, а также некоторые другие.

Поляризационный микроскоп Opto-Edu A15.1019-B имеет оригинальную оптическую систему Infinity Optical System. Она обеспечивает создание максимально плоского, а также не искаженного аберрациями изображения. Также двойная система освещения дает выполнять исследования как в проходящем, так и в отраженном свете.

Другая группа поляризационных микроскопов – металлографические. Тринадцатая серия микроскопов Opto-Edu предназначена для изучения шлифов металлических сплавов и горных пород.