میکروسکوپ پلاریزان

میکروسکوپ پلاریزان به عنوان نوعی میکروسکوپ نوری ، نور پلاریزه یا قطبیده می باشد . می دانیم که تشعشعات نور دارای فونون هایی با حرکت های موجی و ذره ای هستند ، به زبان ساده تر نوری که از جسم منیر ساطع می شود ، دارای حرکات سینوسی الکترومغناطیسی در همه جهات است .

میکروسکوپ های پلاریزان

یک موج سینوسی را در نظر بگیرید ، حال موج بعدی را با یک درجه انحراف در کنار آن و مجدداً بعدی را با دو درجه انحراف نسبت به اولی در نظر گیرید . چنانچه این موج ها را به طور منظم در کنار دیگری چیده تا فضای یک موج به خوبی باز سازی شود ، دیده می شود که این نمودار ها همانند بی نهایت دایره هم راستا به توالی به یکدیگر متصل شده و منتشر می شوند . حال پلاریزه کردن به معنای یکسان سازی آن ها و استفاده از باریکه ای واحد است که پس از تابش این انوار به فیلتری از صفحه ایزوتروپیک (مانند شیشه) که ضریب شکستی یکسان در همه جهات دارد تولید می گردد . پس از قرار گیری این فیلتر در سر راه نور ، عملاً یک موج از آن عبور می کند ، حال با قرار دادن یک فیلتر مشابه در فاصله پایینی آن (البته با 90 درجه چرخش) هیچ نوری به چشم ناظر نخواهد رسید ! اما سود این کار در چیست ؟ هنگامی که ما نمونه مورد بررسی خود را در میان این دو صفحه و نقطه کانونی آن ها قرار دهیم ، جسم مذکور ساختار نور ورودی را به هم ریخته که در نتیجه این بی نظمی ورودی و خروجی فیلتر دوم نیز تغییر کرده و به نمایش اطلاعات می پردازد . از مهمترین مزایای میکروسکوپ های پلاریزان به عنوان یک میکروسکوپ نوری که ملاک اساسی آن در تعیین عمل اجزای یک ماده و نمایش دقیق آن ها تابش نور می باشد می توان به نمایش سه بعدی مشاهدات – تشخیص جلوتر و عقبتر بودن مشاهدات از روی تصویری دو بُعدی که با تغییر زاویه و حالت تابش نور میّسر می شود- اشاره کرد .

میکروسکوپ های پلاریزان شاخه ای از میکروسکوپ های نوری هستند که به واسطه استفاده از نور پلاریزه به این نام خوانده می شوند. از این نوع میکروسکوپ ها بیشتر در زمینه هایی همچون مطالعات مختلف بر روی انواع سنگ ها ، مواد شیمیایی کریستالی و ترکیبات آلی استفاده می شود؛ از دیگر کاربری های میکروسکوپ پلاریزان می توان به مطالعه بر روی ساختار کراتین ها ، عضلات و کلاژن ها اشاره کرد. خصوصیتی که این میکروسکوپ ها را از سایر هم نوعان ریز بین خود جدا می سازد استفاده از نور پلاریزه در ساختار کار آنها است . احتمالاً سوالی که برایتان پیش می آید این است که نور پلاریزه چیست و معنای دقیق آن چه می باشد؟ در ادامه تلاش می کنیم تا به مفهوم نور پلاریزه بپردازیم.

همانطور که علم می گوید ، ساختار نور معمولی از ذرات ریزی به نام فوتون ها تشکیل شده است که دارای حرکت موجی و سینوسی می باشند. بردارهای الکتریکی و مغناطیسی این فوتون ها که به صورت مکرر در حال نوسان به شکل سینوسی می باشند در جهت عمود بر صفحه ارتعاشات آنها منتشر می شوند. در نورهای معمولی و غیر پلاریزه ارتعاشات میدان الکتریکی فوتون های آنها در همه جهات می باشند و سمت و سوی خاصی ندارند.

همانطور که احتمالاً می دانید اکثر مواد شفاف مانند شیشه یا آب که قابلیت عبور نور را دارند وقتی یک پرتو نور از آنها عبور می کند تنها تغییری که در ساختار آن ایجاد می کنند جهت حرکت نور است که این تغییر جهت به دلیل تغییر چگالی آن ماده نسبت به ماده قبلی ( که عموماً هوا است ) شکل می گیرد اما سرعت انتشار نور و همچنین نحوه انتشار آن در این مواد تغییری نمی کند و به اندازه یکسانی است. به زبان ساده سرعت نور در آب و در شیشه با سرعت نور در هوا و خلا یکی است ؛ این مواد را ایزوتروپیک ( Isotropic ) می نامند که در جهت های مختلف دارای ضریب شکست یکسانی هستند.

در ادامه بررسی میکروسکوپ پلارزین و معرفی نور پلاریزه باید بگوییم که بر خلاف مواد ایزوتروپیک برخی از ماده های شفاف وجود دارند که دارای دو ضریب شکست هستند ؛ این بدان معنی است که نحوه شکسته شدن نور در این مواد در جهت های مختلف نتایج متفاوتی دارد! وقتی یک پرتو نوری معمولی و غیره پلاریزه وارد این مواد می شود به دو دسته پرتو نوری تقسیم می شود که این دو در جهات عمود بر هم حرکت کرده و ارتعاشات الکتریکی این دو پرتو نوری کاملاً بر هم عمود خواهد بود. هر کدام از این دو پرتو نوری عمود بر هم را نور پلاریزه می نامند که صفحه ارتعاشات این دو پرتو نوری نیز پلاریزاسیون نامیده می شود. به اینگونه مواد شفاف که دارای دو ضریب شکست بوده و باعث می شوند که نور به دو پرتو پلاریزه تقسیم شود غیر ایزوتپ یا مواد با ضریب شکست دوگانه می نامند.

همانطور که گفتیم مواد غیر ایزوتپ باعث می شوند تا نور ورودی به آنها پلاریزه شود. در استفاده از میکروسکوپ های پلاریزان لزوم استفاده از نور پلاریزه امری غیر قابل انکار است و این عمل توسط یک صفحه پلاریزور انجام می شود . نوری که پس از ورود به صفحه پلاریزور از آن خارج می شود یک نور صد در صد پلاریزه است و میدان الکتریکی فوتون های آن تنها در امتداد محور پلاریزاسیون صفحه پلاریزور ارتعاش می نماید.

پس از بررسی نور پلاریزه و تفاوت های آن با نور های معمولی در راستای معرفی میکروسکوپ های پلاریزان و ساختار کار این دستگاه به این سوال می رسیم که به چه روش هایی می توان نور پلاریزه تولید کرد؟ تولید نور پلاریزه به حالت ها  و روش های مختلفی انجام می گیرد که از آن جمله می توانیم به روش های بازتابش ، شکست مضاعف ، جذب انتخابی و پراکندگی اشاره کنیم.

یکی دیگر از روش های تولید نور پلاریزه که در میکروسکوپ های پلاریزان مورد استفاده قرار می گیرد منشور نیکول می باشد. این منشور که از بلور کربنات کلسیم ساخته شده است به بلور کلسیت نیز معروف است. پس از آنکه یک پرتو از نور عادی وارد این منشور می گردد به صورت دو دسته پرتو از جهت های دیگری خارج می شود و در واقع این نور به دو دسته تجزیه می گردد. در چنین شرایطی اگر منشور نیکول موجود در میکروسکوپ پلاریزان را در مقابل نوشته ای قرار دهیم آن نوشته را به صورت دو نوشته مجزا خواهیم دید.

همانطور که گفتیم نور وارد شده به منشور نیکول به صورت دو پرتو نور خارج می شود ؛ اولین پرتو از قوانین اسنل پیروی می کند و آن را شعاع عادی می نامند اما پرتو دیگری که از منشور خارج می شود از قوانین فیزیکی نور های عادی پیروی نمی کند و به همین دلیل به پرتو دوم ، پرتو نور غیرعادی گفته می شود. مسیر انتشار این دو پرتو با یکدیگر متفاوت است و علی رغم اینکه هر دوی این پرتو های نوری پلاریزه محسوب می شوند اما سرعت انتشار آنها نیز با هم تفاوت دارد.

شاید جالب باشد که بدانید منشور نیکول که در میکروسکوپ های پلاریزان به کار می رود چگونه ساخته می شود. برای ساخت این منشور از بلور کلسیم کربنات استفاده می گردد و روش کار به این شکل است که یک بلور کلسیت را در امتداد قطر آن برش زده و سپس قطعات به دست آمده را با صمغی مخصوص که صمغ کانادا نام دارد به یکدیگر می چسبانند.

از آنجایی که ضریب شکست صمغ کانادا که Canada Blasm نامیده می شود از ضریب شکست کلسیم کربنات در شعاع عادی کمتر بوده و از سوی دیگر از ضریب شکست آن در شعاع غیرعادی بیشتر است وقتی نور به محل اتصال دو قطعه کلسیم کربنات می رسد تنهای نوری که از آن خارج می شود نور عادی خواهد بود. اگر این سوال در ذهنتان پیش آمده است که چه بلایی بر سر نور غیر عادی می آید باید به شما بگوییم که نور غیر عادی در این تابش انعکاس کلی پیدا خواهد کرد و در نهایت نور خارج شده از منشور یک دسته پرتو پلاریزه خواهد بود و به این طریق و با استفاده از این روش نور پلاریزه در میکروسکوپ پلاریزان ایجاد می شود.

اگر بخواهید از این موضوع اطمینان حاصل کنید که نور خارج شده از این منشور کاملاً پلاریزه است می توانید این پرتو نوری را توسط یک منشور نیکول دیگر امتحان کنید. وقتی این دو منشور را در کنار هم به صورت موازی قرار دهیم به شکلی که نور خارج شده از منشور اولی به منشور دوم برسد خواهید دید که این پرتو نوری بدون تغییر از منشور دوم عبور خواهد کرد و این موضوع تایید کننده این مطلب است که نور خروجی از منشور اول کاملاً پلاریزه بوده است. شاید ذکر این مورد نیز برایتان جالب باشد که اگر این دو منشور به شکل عمود بر هم قرار گیرند نور عبوری از منشور اول هنگامی که به منشور نیکول دوم می رسد از آن عبور نمی کند!

یکی دیگر از راه های تولید نور پلاریزه در میکروسکوپ های پلاریزان استفاده از تورمالین است. تورمالین در واقع نوعی دیگر از پلاریزور ها است که از طریق فرایند جذب انتخابی این کار را انجام می دهد. روش کار در استفاده از تورمالین به این شکل است که وقتی یک پرتو نور غیر پلاریزه به آن می تابد در صورتی که ضخامت بلور به اندازه کافی و مناسب باشد شعاع عادی نور به طور کامل در آن جذب می شود و در نهایت شعاع غیر عادی از آن خارج می گردد. وقوع این اتفاق به این دلیل است که ساختار مولکولی تورمالین باعث می شود که ارتعاشات نوری در یک راستا جذب شوند و ارتعاشات عمود بر آنها از بلور عبور کنند. البته ذکر این موضوع نیز لازم است که از بلور تورمالین نمی توان همیشه به عنوان جایگزین منشور نیکول استفاده کرد زیرا به دلیل رنگی بودن این بلور نور سفید از آن عبور نخواهد کرد.

پس از معرفی تورمالین نوبت به صحبت در مورد یکی دیگر از راه های تولید نور پلاریزه به نام آنالیزور Analyser می رسد. آنالیزور در واقع خود نوعی از انواع پلاریزور است که مکانیزمش دقیقاً مشابه با سرگروه خود می باشد. تنها تفاوت این دو در این موضوع است که محل قرار گیری آنالیزور در پشت پلاریزور می باشد؛ در واقع مکان قرار گرفتن آنالیزور در میکروسکوپ پلاریزان دقیقاً در حد فاصل بین عدسی شیئی و چشم بیننده است.
زمانی که از منشور نیکول در میکروسکوپ استفاده می شود معمولاً محل قرار گیری آن یا دقیقاً در بالای عدسی شیئی است و یا در بالای عدسی چشمی قرار می گیرد تا باعث به وجود آمدن مانع برای عبور نور نشود اما در میکروسکوپ هایی که به عنوان آنالیزور از فیلتر های پلاروئید استفاده می کنند مکان قرار گیری آن در داخل لوله عدسی خواهد بود.
به طور معمول وقتی نمونه ای را توسط نور پلاریزه مورد تابش قرار دهیم و به آن نگاه کنیم تصویر را شبیه به حالتی می بینیم که گویی نور غیر پلاریزه بر آن تابیده است ؛ اما اگر در همان شرایط یک آنالیزور در مقابل آن قرار دهیم خواهیم دید که وقتی آنالیزور را می چرخانیم روشنایی تصویر در جهت های چرخش مختلف تفاوت خواهد داشت. در هنگام چرخش زمانی که محور پلاریزاسیون پلاریزور عمود بر آنالیزور قرار گیرد دیگر نوری به چشم بیننده نخواهد رسید. نقطه مقابل این اتفاق زمانی است که محور پلاریزاسیون پلاریزور در موازات آنالیزور قرار گیرد که در این زمان حداکثر نور ممکن از آن به چشم کاربر میکروسکوپ های پلاریزان خواهد رسید. جالب است که بدانید در حالت اول وقتی که محور ها بر هم عمود می شوند تمام نورهایی که از پلاریزور به آنالیزور می رسند متوقف شده و در واقع از آن خارج نمی گردند. در این میان تنها نوری که توسط آنالیزور عبور داده می شود آن دسته از نورهایی هستند که توسط نمونه در حال بررسی خارج شده و یا تغییر جهت داده اند و به این شکل می توان به سادگی تاثیری که نمونه بر روی نور پلاریزه در حال عبور می گذارد را مشاهده کرد.
لازم به ذکر است که عدسی های متعددی که در مکانیزم میکروسکوپ های پلاریزان استفاده می شوند باید عاری از هر گونه رگه باشند و همچنین نباید به هیچ عنوان اثر پلاریزه کنندگی بر روی نور داشته باشند. در مواقعی که قصد داریم از میکروسکوپ های معمولی برای سنجش ویژگی های کندانسور استفاده کنیم باید از قبل آن را مورد آزمایش قرار داده و مطمئن شویم که این اشکالات در آنها وجود ندارد.

یکی دیگر از دلایلی که می تواند باعث ایجاد اثر پلاریزه کنندگی نور در میکروسکوپ ها شود موضوع زاویه دار بودن عدسی ها است. در زمانی که قصد مطالعه نمونه هایی را داریم که دارای خاصیت پلاریزه کنندگی پایینی هستند بهتر است که روزنه ای که برای ورود نور استفاده می شود را تا حدی که امکان دارد کم کنیم تا به این شکل تاثیری که زاویه دار بودن عدسی ها بر روی نور می گذارد کمتر شود.

لوازم و اتصالات جانبی میکروسکوپ های پلاریزان

با متصل کردن برخی از لوازم جانبی به یک میکروسکوپ به طوری که بشود از نورهای پلاریزه در آن استفاده کرد، می توان اطلاعات مفیدی از نمونه های مورد بررسی به دست آورد. در ساده ترین حالت ممکن این امکان وجود دارد تا با اضافه کردن و اتصال یک صفحه ساده پلاریزور و همچنین یک صفحه آنالیزور در کنار آن که قابلیت چرخش داشته باشند این کار قابل انجام است و می توان به سادگی یک نور پلاریزه ایجاد کرد. موضوعی که روشن است این مطلب می باشد که زمانی که قصد اندازه گیری مقداری و دقیق دارید قطعاً باید از یک میکروسکوپ های پلاریزان واقعی استفاده کرد. در ادامه به برخی از لوازم جانبی و تجهیزات اضافی میکروسکوپ های پلاریزان اشاره خواهیم کرد.

پلاریزور و آنالیزور

یکی از این اتصالات پلاریزور و آنالیزور هستند . این ابزار باید قابلیت ورود و خروج به محل های مربوطه را داشته باشند و همچنین قابل چرخش به حول محور عمود باشند. از دیگر شرایطی که این دو را در لیست لوازم جانبی میکروسکوپ های پلاریزان قرار می دهد این است که آنالیزور و پلاریزور باید به صورتی باشند که جهت حرکت آنها نسبت به هم قابل تعیین باشد.
از دیگر لوازم مورد نیاز برای اتصال به میکروسکوپ های پلاریزان می توان به خطوط متقاطعی اشاره کرد که باید بر روی چشمی نصب شده ، تنظیم و ثابت شوند و از چرخیدن آن جلوگیری کنند. همچنین این ابزار به همراه خارهایی است که با استفاده از آنها بشود خطوط متقاطع را به شکل ثابتی به سمت شمال / جنوب ، شرق / غرب و یا در زاویه 45 درجه نسبت به جهت های مذکور قرار داد.
از دیگر اتصالات میکروسکوپ پلاریزان پایه نگهدارنده ای است (machanical stage) که برای نگه داشتن نمونه استفاده شده و قابلیت آن را دارد که توسط یک ورنیه به آرامی آن را چرخاند. همچنین وسیله مناسبی نیز برای چرخاندن و انتقال این پایه نگهدارنده و هم راستا کردن آن با محور نوری وجود دارد.

میکروسکوپ های تداخلی

نوع دیگری از میکروسکوپ های پلاریزان انواع تداخلی آنها هستند. میکروسکوپ های تداخلی پلاریزان این روزها توسط کمپانی های متعددی تولید می شوند. این دستگاه ها از ساختارهای متعدد و متفاوتی تشکیل شده اند و اساس کار آنها بر پایه تداخل نور عبوری از نمونه‌های شفافی که در قسمت های مختلف فازهای متفاوتی دارند می باشد. علاوه بر این تداخل نوری که از نمونه‌های کدر منعکس می شود و یا پرتوهای نور دیگری که با این نورها دارای اختلاف هستند از کلیات ساختار این نوع میکروسکوپ پلاریزان می باشد و به این شکل ساختار داخلی نمونه و یا سطح خارجی آن قابل مشاهده خواهد بود.

معرفی میکروسکوپ تداخلی DIC

شاید کمی پیچیده به نظر برسد اما هنگامی که تداخل نورهای عبوری از داخل نمونه باعث ساخت تصویر در این دستگاه شود این روش عمل کنتراست تداخلی دیفرانسیلی (DIC) نام دارد که تحت عنوان میکروسکوپ تداخلی DIC شناخته می شود . در سوی دیگر اگر تصویر از انعکاس سطح نمونه حاصل شده باشد آنرا میکروسکوپ تداخلی انعکاسی می‌نامند. در ادامه به شکل کاملتری به بررسی میکروسکوپ تداخلی DIC خواهیم پرداخت.

در یک سیستم DIC نوری که از هر قسمت نمونه عبور می کند مواجه با بخشی از آن است که با قسمت های دیگر نمونه دارای اختلاف فاز می‌باشد. این اختلاف فاز ناشی از ضرایب شکست متفاوت در قسمت های مختلف نمونه می‌باشد. لازم به ذکر است که تصاویر به وجود آمده از نمونه در اثر تداخل نورهای خارج شده از قسمت های مختلف نمونه می باشد. نوری که از منبع نوری پایین به طرف نمونه ساطع می شود به دو بخش پرتو R و پرتو O تقسیم می‌گردد . دسته پرتو R مخفف کلمه (Reference beam) می باشد و در کنار آن دسته پرتو O از نمونه مورد آزمایش عبور نموده است ؛ این دو پرتو با هم تداخل کرده و به این دلیل که هر دو دسته پرتو پلاریزه می‌باشند، نوارهای تداخلی قابل تشخیصی در میکروسکوپ پلاریزان تشکیل می‌گردد.

تصویر برداری جامین

روش گرفتن تصویر با استفاده از ایجاد تداخل میان دسته پرتوهای مختلف ، برای مدت زمان بسیار طولانی مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از روش هایی که در موارد بسیاری به کار برده می شود ، روش معروف به جامین ( Jamin ) می‌باشد. در این روش با توجه به روش پلاریزاسیون ، از یک دسته پرتو نوری دو دسته پرتو ایجاد نموده و سپس آن دو را با هم ترکیب می‌نمایند. در ادامه تلاش می کنیم تا به بررسی تداخل سنج جامین (Jamin’s interferometer ) بپردازیم و ساختار کلی این روش را شرح دهیم.

تداخل سنج جامین و میکروسکوپ تداخلی اسمیت – بیکر

نحوه کار سیستم اینترفرومتر که توسط جامین ابداع شده است به این شکل می باشد که نور پس از تابش از چشمه به وسیله صفحه پلاریزور به نور پلاریزه تبدیل می شود. پس از این مرحله توسط صفحه کلسیت به دو دسته پرتو تقسیم می گردد. این دو دسته پرتو عادی و غیر عادی می باشند. در مرحله بعدی این دو پرتو از یک صفحه نیم موج می گذرند که در نتیجه این کار نور O به پرتو غیر عادی و نور E به پرتو عادی تبدیل می شوند. سپس این دو پرتو مجدداً از یک صفحه کلسیت دیگر عبور می کنند که کاملاً شبیه به صفحه کلسیت اول است. در اثر این عبور ، فاز موج نغییر می کند و این دو پرتو با هم تداخل پیدا می کنند. نتیجه تداخل این دو پرتو ، تولید نوارهای تداخلی است که قابل مشاهده می باشد. اسمیت و بیکر نام اولین افرادی یا همان محققانی است که میکروسکوپ های تداخلی را با استفاده از کاربرد سیستم های تداخلی طراحی کردند و با استفاده از این میکروسکوپ پلاریزان توانستند تصاویر مناسب بسیاری تهیه نمایند. در ادامه قصد داریم تا به بررسی تفاوت های موجود در میکروسکوپ های تداخلی و میکروسکوپ های فاز کنتراست بپردازیم.

مقایسه با میکروسکوپ فاز کنتراست

در سیستم میکروسکوپ های فاز کنتراست تفاوت اختلاف راه ایجاد شده که موجب تداخل می‌شود ، فقط در اثر ماهیت نمونه می‌باشد. این در حالی است که در سیستم میکروسکوپ های تداخلی ، عمل تداخل فقط به وسیله نمونه ایجاد نمی‌شود، بلکه اختلاف راه به وجود آمده به دلیل ساختار ساختمانی میکروسکوپ است که در اثر چگونگی قرار گرفتن اجزا ایجاد می‌شود.
بنابراین در صورتی که ماهیت نمونه به شکلی باشد که نتواند به حد کافی موجب ایجاد تداخل شود ، می‌توان این عمل را به سادگی با استفاده از میکروسکوپ پلاریزان تداخلی انجام داد. در برخی از مواقع نیز استفاده از میکروسکوپ های فاز کنتراست ، موجب بروز خطا هایی می‌شود که این مشکل در سیستم های میکروسکوپ تداخلی رخ نمی دهد.
میکروسکوپ های تداخلی حتی می‌توانند برای نمونه‌ های غیر شفاف که به عنوان مثال می توان به نمونه های رنگ شده اشاره کرد ، به کار روند و وضوح تصویر در آنها بدون نقص و بسیار خوب باشد. تصویر هایی که با استفاده از میکروسکوپ های تداخلی به دست می آیند ، دارای حالت شبه سه بعدی بوده و می توان گفت که تا حدی مشابه میکروسکوپ های الکترونی می‌باشند.