一、偏光显微镜的基本原理

(一)单折射性与双折射性:光线通过某一物质时,如光的性质和进路不因照射方向而改变,这种物质在光学上就具有"各向同性",又称单折射体,如普通气体、液体以及非结晶性固体;若光线通过另一物质时,光的速度、折射率、吸收性和光皮的振动性、振幅等因照射方向而有不同,这种物质在光学上则具有"各向异性",又称双折射体,如晶体、纤维等.

(二)光的偏振现象:光波根据振动的特点,可分为自然光与偏光.自然光的振动特点是在垂直光波传导轴上具有许多振动面,各平面上振动的振幅相同,其频率也相同;自然光经过反射、折射、双折射及吸收等作用,可以成为只在一个方向上振动的光波,这种光波则称为"偏光"或"偏振光".

最简单的是只在一直线上振动的直线偏振光.当光线进入双折射体时,则如图所示,分为A、B两种直线平面偏振光,两者的振动方向相互垂直,而速度、折射率和波长等均有所不同.

(三)偏光的产生及其作用:偏光显微镜最重要的部件是偏光装置——起偏器和检偏器.过去两者均为尼科尔(Nicola)棱镜组成,它是由天然的方解石制作而成,但由于受到晶体体积较大的限制,难以取得较大面积的偏振,近来偏光显微镜则采用人造偏振镜来代替尼科尔梭镜.

人造偏振镜是以硫酸喹啉又名Herapathite的晶体制作而成,呈绿橄榄色.当普通光通过它后,就能获得只在一直线上振动的直线偏振光.

偏光显微镜有两个偏振镜,一个装置在光源与被检物体之间的叫"起偏镜";另一个装置在物镜与目镜之间的叫"检偏镜",有手柄伸手镜筒或中间附件外方以便操作,其上有旋转角的刻度.

从光源射出的光线通过两个偏振镜时,如果起偏镜与检偏镜的振动方向互相平行,即处于"平行检偏立"的情况下,则视场最为明亮.反之,若两者互相垂直,即处于"正交校偏位"的情况下,则视场完全黑暗,如果两者倾斜,则视场表明出中等程度的亮度.由此可知,起偏镜所形成的直线偏振光,如其振动方向与检偏镜的振动方向平行,则能完全通过;如果偏斜,则只以通过一部分;如若垂直,则完全不能通过.因此,在采用偏光显微镜检时,原则上要使起偏镜与检偏镜处于正交检偏位的状态下进行.

自然光与偏振光的振动特点

双折射体与光的偏振

(四)正交检偏位下的双折射体:在正交的情况下,视场是黑暗的,如果被检物体在光学上表现为各向同性(单折射体),无论怎样旋转载物台,视场仍为黑暗,这是因为起偏镜所形成的直线偏振光的振动方向不发生变化,仍然与检偏镜的振动方向互相垂直的缘故.若被检物体中含有双折射性物质,则这部分就会发光,这是因为从起偏镜射出的直线偏振光进入双折射体后,产生振动方向互相垂直的两种直线偏振光,当这两种光通过检偏镜时,由于互相垂直,或多或少可透过检偏镜,就能看到明亮的象.光线通过双折射体时,所形成两种偏振光的振动方向,依物体的种类而有不同.

平行检偏位(A)与正交检偏位(B)的示意图

双折射体在正交情况下,旋转栽物台时,双折射体的象在360°的旋转中有四次明暗变化,每隔90°变暗一次.变暗的位置是双折射体的两个振动方向与两个偏振镜的振动方向相一致的位置,称为"消光位置"从消光位置旋转45°,被检物体变为最亮,这就是"对角位置",这是因为偏离45°时,偏振光到达该物体时,分解出部分光线可以通过检偏镜,故而明亮.根据上述基本原理,利用偏光显微术就可能判断各向同性(单折射体)和各向异性(双折射体)物质.

正交检偏位下的双折射体

(五)干涉色:在正交检偏位情况下,用各种不同波长的混合光线为光源观察双折射体,在旋转载物台时,视场中不仅出现最亮的对角位置,而且还会看到颜色.出现颜色的原因,主要是由干涉色而造成(当然也能被检物体本身并非无色透明).干涉色的分布特点决定于双折射体的种类和它的厚度,是由于相应推迟对不同颜色光的波长的依赖关系,如果被检物体的某个区域的推迟和另一区域的推迟不同,则透过检偏镜光的颜色也就不同.

二、偏光显微镜的特点

偏光显微是鉴定物质细微结构光学性质的一种显微镜.凡具有双折射性的物质,在偏光显微镜下就能分辨的清楚,当然这些物质也可用染色法来进行观察,但有些则不可能,而必须利用偏光显微镜.

偏光显微镜的特点,就是将普通光改变为偏振光进行镜检的方法,以鉴别某一物质是单折射性(各向同性)或双折射性(各向异性).

双折射性是晶体的基本特征.因此,偏光显微镜被广泛地应用在矿物、化学等领域.在生物学中,很多结构也具有双折射性,这就需要利用偏光显微镜加以区分.在植物学方面,如鉴别纤维、染色体、纺锤丝、淀粉粒、细胞壁以及细胞质与组织中是否含有晶体等.在植物病理上,病菌的入侵,常引起组织内化学性质的改变,可以偏光显微术进行鉴别.在人体及动物学方面,常利用偏光显微术来鉴别骨骷、牙齿、胆固醇、神经纤维、肿瘤细胞、横纹肌和毛发等.

三、偏光显微镜在装置上的某些要求

(一)光源:最好采用单色光,因光的速度、折射率、吸收和干涉现象由于波长的不同而有差异.一般镜检可使用普通光.

(二)载物台:为圆形,要用可以调节中心且边缘刻有角度(360°)能旋转的载物台.

(三)和镜:应使用无应消色差物镜,因复消色差和半复消色差物镜本身常发生偏振光.

(四)目镜:要带有十字线镜.

(五)聚光镜:为了取得平行偏光,应使用能推出上透镜的摇出式聚光镜.

(六)补偿片:作精细偏光镜检时,尚需利用补偿片,有石膏、云母及石英补偿片等.

四、偏光镜检术的要求

(一)光轴与载物台通光中心必须在一直线上,否则旋转物台时,被检物体就偏离视场中心,甚至移到视场之外,而影响镜检.

(二)起偏镜和检偏镜均标有振动方向的符号,当处于正交状态时,习惯上通常使起偏镜的振动方向与目镜内十字线的横线一致,而检偏镜的振动方向与十字线的给纵线一致.

(三)制片不宜过薄,否则微弱的双折射性就易消失.同时应先以新鲜状态进行观察(不然常由于固定、染色等步骤的处理,而使双折射性加强或消失),然后再对照进行观察.