偏光显微镜

一、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)。一切实际的光源，如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。这些光都是大量原子、分子发光的总和。虽然某一个原子或分子在某一瞬间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也不同，这种变化频率极快，因此，自然光是各个原子或分子发光的总和，可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。

自然光在窗过某些物质，经过反射、折射、吸收后，电磁波的振动哥以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

直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内，所以这偏振光又叫作平面偏振光。正对光的传播方向看去，这种光的振动方向是一条直线，因此又叫直线偏振光或线偏振光。如图1-1所示。

2．圆偏振光和椭圆偏振光

(1) 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要分裂为两束沿不同方向传播的挑线，这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。这两束光线之一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，用o表示；另一束光线不遵守折射定律，当入射光线方向变化时，它的传播速度也随之变化，光的折射率不同，这束光称为非常光线，用e来表示。

在各向异性晶体中，存在有某些特殊方向，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，有一个光轴的晶体叫一轴晶，有两个光轴的晶体叫二轴晶。对于二轴晶，双折射后的两束光线均为非常为光线。

(2) 波晶片

波晶片简称波片，可用来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时产生的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。如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片，这时晶片表面与光轴平持，这样制得的晶片叫波晶片。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。如果波片越厚，o光和e光线波波长的整数倍，这种波片叫全波片。依此类推，还有半波片和1/4波片等等。

(3) 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所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。因为自然光是由光源中的不同分子和原子产生的，没有固定的位相差，所以不发生干涉。但是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。相当于两个互相垂直的同周期的振动的合成。

当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时产生两束偏振光(o光和e光)。由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。O光和e光的相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。设No、Ne分别为o光和e光的折射率，d为晶片的厚度，所产生的相位差为Δφ。则。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当Δφ为π/2的偶数倍时可产生直线偏振光；当Δφ为π/2的奇数倍时，可产生圆偏振光；当Δφ不是π/2的整数倍时均可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆，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，所以仍属偏振光。如图1-2所示。

3．起偏振镜和检偏振镜

偏振光可用尼科尔棱镜和偏振片得到。

尼科耳棱镜是由方解石晶体做成。图1-3中(a)为方解石的双折射现象，(b)为尼科耳棱镜的主截面图。取长度约三倍于厚度的方解石晶体，两端的天然而原来与底边成71°的角，经研磨后成68°角，然后将晶体剖开，成两块直角棱镜，再用加拿大树胶将剖面粘合成一长方柱形棱镜。将侧面CN涂黑，就制成了尼科耳棱镜。加拿大树胶为光性均质体对于黄绿光的折射率n=1.540，这个折射率恰好在方解石对这种颜色的o光的折射率No=1.6583与平行于CN面的该种颜色的e光的折射率Ne=1.5159之间。当一束平行于CN面的黄绿自然光由第一块棱镜的AC面入射在方解石内部发生双投射现象时，分成为o光和e光。由于o光射到加拿大树胶的胶合面上的入射角约为76°，超过了树胶与方解石对o光的临界角69°，会发生全反射，被涂黑的CN面吸收。E光折射后方向仍近近似与CN面平行，方解石对这一方向上的非常光线的折射率比树胶的折射率小，所以不会发生会反射，而穿过树胶层进入第二块棱镜，然后从MN面上射出而获得一否偏振光。其振动面在棱镜的主截面内，在图3(b)中用短线表示。

尼科尔棱镜的优点是对各色可见光透明度都很高，并能够均匀完全起偏。但天然方解石价格昂贵，制造比较困难，所以最常用的是偏振片。偏振片是一种使自然光变为偏振光的人造透明薄片，由于面积大成本低而被广泛应用。

自然光射入某些晶体时可以产生振动方向互相垂直的两束直线偏振光，同时将其中一束强列吸收，另一束通过，晶体的这种性能叫晶体的二色性。用具有二色性的晶体制造的偏振片可用来产生偏振光。例如，电气石晶体能够强烈吸收寻常光线，1mm厚的电气石晶体即可把寻常光线全部吸收而让非常光线通过，产生一束非常光线的偏振光。过碘硫酸奎宁也是一种二色性极强的晶体，0.1mm厚的薄膜就足以使自然变成直线偏振光。

另外一种偏振片是用聚乙烯醇膜来制造的。将聚乙烯醇的分子拉伸成为线性结构，平行排列，则其薄膜只允许平行分子排列方向振动的光通过，而产生直线偏振光。

在偏光显微镜中能产生偏振光的偏振片叫起偏振镜，另外在起偏振镜后面还有一个检偏振镜(或叫分析器)，如图1-4所示。当两个偏振镜振动轴平行时，起偏振镜A产生的偏振光可以完全通过B检偏镜；当A、B振动轴成一定角度时，A产生的偏振光只有部分能通过检偏镜B，而当A与B的振动轴垂直时，A产生的偏振光完全被B阻挡，产生消光现象。如果是圆偏振光，用检偏振镜检查时不发生消光现象，光的强度不发生变化。如果是椭圆偏振光，用检偏振镜检查量不发生消光现象，但光的强度要发生变化，当B的振动轴与椭圆长轴重合时，光的强度最大，与椭圆的短轴重合时，光的强度最小。

二、偏振光的反射原理

偏振光在光性均质体表面上的反射遵循反射定律，在各个方向上的反射率都相同。

偏振光在光性非均质体表面上的反射，在晶粒的不同的位向上反射率不同(光的反射率是指反射光强度与入射光强度的比值)。设起偏振镜的振动方向为PP，检偏振镜的振动方向为AA，偏振光在光性非均质体的光轴方向上的反射率为R，垂直于光轴方向上的反射率为S，R≠S(R=S为光性均质体的反射)。设R>S，如图1-5所示，一束光经起偏振镜后得到振幅为F的PP方向振动的偏振光，入射到光性非均质体表面上，振幅为F的偏振光分解为平行于光轴和垂直于光轴方向上的两个分量。

对于光性均质体，R-S=0，I+=0。转动载物台一周(360°)，在目镜看到黑暗的全消光现象。对光性非均质体，R-S≠0，转动载物台一周(360°)，当转过的θ角为0°，90°，180°，270°时，sin2θ=0，产生消光现象；当θ角为45°，135°，225°，315°时，sin2θ=1，此时光线最强；θ角为其他角度时，显微组织的亮度在上两种情况之间。因此在转动晶体一圈(360°)中，将观察到四次明亮和四次消光，即出现四明四暗现象。有时由于试样不是十分平滑，可能会发生光线的漫射，看到的不是完全黑暗的颜色，而是灰色。但这种漫射光的强度不随载物台的转动而发生变化。