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 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 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 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 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 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 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.