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貨真價實 坦誠無欺
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尼康顯微鏡,偏振光的幹擾

2013-11-13  發布者:admin 

顯微鏡的圖像的形成依賴於兩個關鍵的光學現象:衍射和幹涉之間複雜的相互作用。 的標本的光通過散射和衍射成微小的細節和功能存在於試樣中的發散波的。 由試樣散射的光的發散被捕獲的目標和聚焦到中間圖像平麵,其中疊加的光波通過的過程中, 幹擾重組或求和,以產生一個放大的圖像的標本。

發生的衍射和幹涉的表麵上密切的關係,因為它們實際上是表現為相同的物理過程,並產生表麵上是相互影響的。 AG亚游集团大多數人觀察到某種類型的光學幹涉幾乎每天都有,但通常沒有意識到事件背後常常千變萬化的色彩顯示時產生的互相幹擾光波在玩。 幹擾的最好的例子之一的是,證明了從油浮在水麵上的膜反射的光。 另一個例子是一個肥皂泡(如圖1所示),這反映了靚麗的色彩頻譜時,由天然或人造光源照亮的薄膜。

在一個肥皂泡的顏色的動態的相互作用來源於同時反射的光的內側和外側表麵的極其薄的肥皂膜。 非常接近的兩個表麵(相隔隻有幾微米),並從內表麵反射的光幹擾和相消的外表麵反射的光。 幹擾的影響被觀察到,因為氣泡的內表麵反射的光必須移動的外表麵反射的光比,和皂膜厚度的變化,產生光波必須前往到達AG亚游集团的眼睛的距離相應地有所不同。

當從皂膜重組的內表麵和外表麵的反射波,它們將互相幹擾,或者刪除或加強破壞性或建設性的幹擾(圖2中所示)的一部分的波長的白色光由。 其結果是令人眼花繚亂的顯示顏色,似乎不停地轉動,因為它的泡沫膨脹和收縮風電流沿表麵。 隻需轉動肥皂泡,或移動靠近或遠離,導致顏色改變,甚至完全消失。 如果額外的行駛距離從內表麵反射的光波的波長相差的外表麵彈跳正好等於,則光波將重組建設性地形成鮮豔的色彩。 波與對方的步驟,即使是由一些波長的小數部分的區域,破壞性幹擾效應將開始發生,衰減或取消的反射光(和顏色)。

音樂,電影和電腦愛好者的幹擾現象也暴露了他們每次裝入一個緊湊的音頻播放器或CD-ROM驅動器的磁盤插入。 緊湊型或數字視盤緊密排列的螺旋軌道上包含了一係列的土地利用編碼的音頻和/或視頻序列包含在磁盤上的數字檔案。 這些軌道非常接近的間距模仿超細線衍射光柵產生壯觀的彩虹般的色彩效果,普通的白色光從表麵反射時。 肥皂泡一樣,顏色來自彈跳從鄰近的磁盤上的磁道的反射光的波之間的幹擾。

幹擾是負責顯示的蜂鳥,各種美輪美奐的蝴蝶甲蟲和其他昆蟲的翅膀蒙上了一層金屬光澤,和幾個物種往往燦爛的虹彩著色。 例如,鑽石甲蟲的翅膀覆蓋一個微小的縱橫交錯的衍射光柵具有約2000每英寸線。 從甲殼蟲的翅膀反射的白色光產生的幹涉圖案源自一個緊湊的磁盤表麵的一個驚人的頻譜顯示。 龜甲蟲,其中有多個幾丁質層組成的右翼外殼,使他們在反射光虹彩創建了類似的效果。 有趣的是,這種昆蟲可以改變薄膜的水分含量,以產生厚度的變化,改變從金紅銅的主要反射幹涉色。

另一個引人注目的例子自然發生的幹擾, 形態didius的蝴蝶在亞馬遜雨林中茁壯成長呈現出虹彩看到在昆蟲世界最美麗的形式之一。 激烈的藍翼的顏色是固定去鱗分層蝴蝶的翅膀顏色生產結構的後果。 每個規模是由兩個片狀的,非常薄的薄片,上部和下部,與垂直杆分開的空隙隔開。 片狀支持一個更小的網絡,聖誕樹形脊板或分支機構從中央秸稈橫向伸出。 薄層的幾丁質的分離距離等於到二分之一波長的藍色光通過空氣空間的脊產生的模擬矩形板的一個自然的衍射光柵。 的脊演變與反射板進行和相消幹涉的光波在正確的時間間隔的間隔。 其結果是一個深藍色閃光的顏色,幾乎覆蓋了整個機翼結構,雖然沒有藍色的光線實際上是反映從翅膀上的鱗片。

切合幹擾的經典方法包括描繪圖形重組的兩個或兩個以上的振幅,波長和相對相移的曲線圖中的正弦光波的介紹(參見圖4)。 實際上,當兩個波相加,所產生的波的振幅值,或者是通過建設性的幹擾增加,或通過相消幹涉減弱。 為了說明效果,考慮一個對光波的協調性,從相同的源(具有相同的相位關係),一起旅行平行(圖4中的左手側)提出了關於。

如果從每個波的電場矢量(垂直於傳播方向)所產生的振動是相互平行的(實際上,在同一平麵上振動向量),然後可結合的光波,並進行幹擾。 如果向量不位於在同一平​​麵上,並在90度和180度之間的角度相對於彼此在一些振動,則波不會彼此幹擾。 圖4中示出的光的波都被認為是有振動電場矢量在平麵中的頁麵。 此外,所有的波的波長相同,是相幹的,但相對於振幅變化。 圖4的右手側上的波浪相對於彼此具有180度的相位移。

假設所有符合上麵列出的標準,那麽波可能會幹擾建設性或破壞性產生一個結果波,增加或減少的幅度。 如果在波峰的一個配合的其他的波峰,波的振幅從原來的兩個波的幅度決定的算術總和。 例如,如果這兩個波的振幅相等時,得到的振幅加倍。 在圖4中,光波A可以建設性幹涉光的B浪,因為兩個相幹波在同一階段,不同的隻是在相對 ​​振幅。 記住,光強度幅值的平方成正比。 因此,如果振幅增加一倍,強度四倍。 這種添加劑的幹擾被稱為建設性的幹擾,導致了新一波的幅度增加。

如果一個波的波峰與其他波的波穀(有效波是180度,或半個波長,彼此同相,滿分)相吻合,所得到的振幅降低,或什至可以完全取消,右側圖4所示的A浪和C浪。 這就是所謂的破壞性幹擾 ,並且通常會導致下降的幅度(或強度)。 在情況下的幅度是相等的,但180度的相位差,波消除對方出示的色彩,完全缺乏或完全黑暗。 圖4中提出的所有的實施例描繪在相同方向傳播的波,但在許多情況下,在不同的方向行進的光波可以簡要地滿足,並進行幹擾。後浪已經過去了對方,但是,他們將恢複其原來的課程,具有相同的振幅,波長和相位它們之前會議。

現實世界中的幹擾現象並未明確定義為圖4中所示的簡單情況。 例如,大範圍的色彩表現出的一個肥皂泡的查詢結果從兩個長和相消幹涉,在不同的振幅,波長和相對相位移的光波。 具有大致相等的振幅波,但具有不同的波長和相位,可以產生一個寬譜得到的顏色和振幅的組合。 此外,當兩個波的幅值相等而波長是180度(半波長)的淘汰與對方滿足時,他們不實際破壞,在圖4中建議的。 所有這些波的光子能量存在於必須以某種方式收回或重新分配一個新的方向,根據能量守恒的規律(光子是不能夠自我毀滅)。 相反,在會議中,光子被重新分配的區域,允許建設性的幹擾,所以應被視為光波和光子能量的再分配,而不是自發的建設或破壞的光的效果。 因此,簡單的圖表,例如,在圖4中示出了一個,隻應被視為與在一個特定的方向行進的光能量的計算工具,幫助。

托馬斯·楊的雙縫實驗

在早期物理學的先驅者之一,是一個19世紀的英國科學家托馬斯·楊,令人信服地證明了波浪狀的字符通光幹擾的現象,采用衍射技術。 年輕的實驗提供了相反的證據科普的時期,認為這是基於牛頓的微粒(粒子)理論,光的性質。 此外,他還負責結論由不同顏色的光具有不同長度的波,和從三基色:紅,綠,和藍色的不同數量的光混合在一起,任何顏色都可以通過以下方式獲得。

在1801年,楊進行了古典和經常被引用的雙縫實驗提供了重要的證據表明,可見光具有波浪狀的特性。 他的實驗是基於假設,如果光線是波浪狀的性質,那麽它應該的行為方式類似於在一個池塘的水波紋或波浪。 兩個對立的水波見麵時,他們應該在一個特定的方式來加強或破壞對方反應。 如果兩個波的的步驟(波峰滿足),那麽他們就應該相結合,使一個更大的浪潮。 與此相反,當兩個波滿足步驟(一個波峰符合另一個槽),波浪應該取消,並產生在該區域中的平坦的表麵上。

為了檢驗他的假設,年輕人想出了一個巧妙的實驗。 利用太陽光衍射半相幹照明源,通過一個小的縫隙,他預計到另一個屏幕,其中包含兩個並排放置的縫隙散發出的光線從縫隙。 光通過狹縫,然後下降到第三個畫麵(檢測器)。 年輕觀察,當狹縫很大,間隔相距甚遠,並關閉檢測屏幕,然後在屏幕上形成兩個重疊補丁的光。 然而,當他降低狹縫的大小緊密聯係起來,並給他們帶來了,光通過狹縫和到屏幕上產生不同的顏色帶串行順序分離暗區。 青年創造了這個詞來形容樂隊的幹涉條紋,並意識到這些彩色帶也隻能產生光像波。

圖5中所示的雙縫實驗的基本設置。 來自陽光的紅色過濾光線首先通過狹縫,實現了半相幹態。 排出的第一狹縫的光波,然後入射在第二阻擋位置接近的一對狹縫。 探測器屏幕背後的狹縫放置在該地區已通過雙狹縫捕捉光線重疊,並在屏幕上明亮的紅色和暗幹擾頻段的格局變得可見。 此類實驗的關鍵是從兩個狹縫在屏障處衍射的光的相互連貫性。 雖然楊實現通過陽光從第一狹縫衍射的一致性,任何信號源的相幹光(如激光),可以被取代的單狹縫的光通過。

影響雙狹縫的光被分成了兩個新的波陣麵是完美的步驟與對方相幹波前。 從每個狹縫的光波必須移動的距離相等,以達到圖5中所示的畫麵上的A  ,要達到這一點,仍然在步驟或具有相同的相位位移。 由於兩波到達點à具有建設性幹涉的必要規定,還應該加上在一起,產生一個明亮的紅色屏幕上的幹涉條紋。

與此相反,也被定位在屏幕上的B點等距離的兩個狹縫的,所以光必須移動更大的距離從一個狹縫,比從其他到達B點。 從狹縫發出的波接近到B點(例如狹縫和圖5的左手側上的B點)不具有據前往到達其 ​​目的地,並從狹縫傳播的波。 其結果是,從最近的狹縫波應該稍微超前波到達 B處從最遠的狹縫。 因為這些波將不會到達B點處的相位(或在彼此的步驟),它們將經受相消幹涉,以產生一個在屏幕上的暗部區域( 幹涉條紋 )。 幹涉條紋圖案並不局限於具有雙縫配置的實驗,但可以通過任何情況下,在光分裂成波,可以取消或加在一起的結果。

年輕的實驗的成功有力地證明讚成波浪理論,但並沒有立即接受他的同齡人。 該事件在背後如肥皂氣泡和牛頓環(將在下麵討論)中觀察到的顏色的彩虹現象,雖然解釋了這項工作,是不是那些誰堅定地認為,光傳播的粒子流的科學家立即明顯。 其他類型的實驗以後被設計並進行演示的波浪狀的性質的光的幹涉效應。 最值得注意的是勞埃德·漢弗萊,單鏡實驗和雙鏡和奧古斯丁菲涅爾雙棱鏡實驗設計單軸雙折射晶體的偏振光。 菲涅耳的結論,與具有相同的偏振方向的光束,偏振光束之間的幹擾,隻能獲得。 效果,具有其振動方向的偏振光波麵向彼此平行地相結合,產生的幹擾,而垂直於不幹擾。

艾薩克·牛頓爵士,著名的十七世紀英國數學家和物理學家,研究幹擾現象的首批科學家之一。 他很好奇如何產生肥皂泡的表麵上絢麗奪目的色彩,尤其是考慮氣泡組成的無色液體肥皂溶液。 牛頓正確地推測,可能是由於氣泡的內表麵和外表麵接近的接近度,顏色和設計的實驗方法設計,以模仿所觀察到的彩色花樣。 牛頓在他的著 ​​名的牛頓 ​​環的實驗中(參見圖6)中,放置一個具有平坦的玻璃板的曲率半徑大的凸狀透鏡,並通過共同持有透鏡和玻璃板的一個黃銅幀施加壓力,但仍然由一個非常薄的分離空隙充滿了空氣,並具有相同的尺寸,可見光。 當他觀看了板反射陽光,他觀察到一係列的同心帶淺色和深色區域。

循序漸進驚訝牛頓環。 中心附近的接觸點,環較大,並已下令開始用黑色的彩色圖案,然後逐步通過淡淡的藍色,白色,橙色,紅色,紫色,藍色,綠色和黃色。 頻帶有更大的強度和厚度的中心,更薄的增長,因為它們向外進展,最後黃銅幀邊緣處的聲音。 牛頓還發現,如果他與紅光照亮了玻璃,顏色改變,產生交替的紅色和黑色的線條。 以類似的方式,產生藍色光的藍色和黑色的環,而產生綠色光的綠色和黑色的環。 此外,牛頓環之間的間距取決於顏色。 藍環比綠環,這是緊密聯係起來比紅五環(相同的效果,將觀察到的幹涉條紋間距的雙縫實驗,如果采用不同的彩色濾光片)緊密聯係在一起。

牛頓確認,環表明存在某種程度的周期性,但在實驗結果感到困惑。 事實上,形成環的物理基礎忍受了75年後,牛頓的死亡成了一個謎。 它不是直到楊進行雙縫實驗,科學家們認識到的反射光從頂麵和底麵的玻璃變得疊加或組合,並產生幹擾模式,顯示為色環。 今天,這個原則經常使用由透鏡製造商測試大的拋光表麵的均勻性。

當他們提出一個統一的背景,幹擾分布條紋(如楊氏雙縫實驗或牛頓環裝置中所觀察到的)不同的強度。 的強度的可見度(V)是由Albert邁克爾遜,二十世紀早期物理學家,定義的邊緣的強度除以它們的和的最大值和最小值之間的差異:

其中I(max)表示測得的最大強度,I(min)是對應的最小強度。 在此公式中,理想化的邊緣強度始終是零和一之間,然而在實踐中條紋的可見度是取決於幾何設計的實驗,並利用光譜範圍。

幹擾濾波器

熒光顯微鏡,采用經典的廣角觀察單獨或結合激光掃描共聚焦和多技術的爆炸性的興趣,導致了新的過濾技術的快速發展,旨在使顯微鏡選擇性地激發熒光基團,並觀察他們的二次熒光最低背景噪音。 對於這些應用,具有多個電介質材料的薄塗層的過濾器,通常被稱為幹涉濾光片 ,成為給出用於波長選擇的機製。

在一般情況下,幹涉濾光片構成的麵狀的光學玻璃,塗有介電材料的層,也可以二分之一或四分之一波長厚,通過選擇性地阻塞和/或增強特定波長頻帶的傳輸通過結合​​作用的長和相消幹擾(圖7中所示)。 該過濾器的設計,發送一個有限的範圍內的波長,通過發射和反射的光波之間的幹涉增強。 不選擇過濾器的波長不互為因果,破壞性幹擾或反射從過濾器除去。

幹擾過濾器普遍采用的電介質材料是不導電的金屬鹽類和真正的金屬,具有特定的折射率值。鹽,如硫化鋅,氟化鋁鈉,鎂和氟化鎂,以及金屬如鋁,此類型的過濾器的設計和構建的材料給出幾個。 幹涉濾光器,很像在虹彩昆蟲或上麵討論的肥皂薄膜的薄的幾丁質結構,依賴於存在不同折射率的兩個非常薄的電介質材料之間的界麵處的反射,透射和促進入射光之間的幹擾的物理性質波。 波長的選擇取決於用於構建篩選薄層塗料的介電層厚度和折射率。

幹涉濾光器上的塗料製造單位稱為空腔 ,每個空腔含有4或5個交替層的分離介質的鹽,由間隔層從其他空腔。 型腔數目決定了整體的精度的波長選擇。 增加腔,例如,目前的高性能過濾器具有至多10-15腔能產生單一波長的帶寬的數量可以顯著地提高了過濾器的性能和波長選擇。 刺激這些非常有選擇性的過濾器在追求新的熒光染料的研究,極大地推動了搜索流行的具有生物活性的綠色熒光蛋白(GFP)的基因突變的變種。

幹擾產生的全息

20世紀40年代中後期,由Dennis Gabor的幹擾全息圖的原則和背後的理論概述,但他缺乏成熟的相幹激光源要產生這些偽三維圖像。 激光器的出現在現場,於1960年,兩年後,密歇根畢業的學生法學Upatnieks和埃米特利斯大學成功生產第一全息圖。 全息圖是基本上均采用兩套相幹光波的照相記錄。 一組波被反射到照相膠片的成像(類似於傳統攝影中使用的機製)的對象,不反射,或通過,該對象的情況下,而另一組波到達上麵的膜。 當兩套激光波終於滿足上麵的膜平麵,它們會產生幹涉圖案(條紋)的記錄,可作為​​三維圖像。

在反射全息圖,一個參考對象的照射激光束(通常是一個氦氖激光器采用該占空比的)反射到從相對的兩側的厚膜。 這些光束幹涉產生亮區和暗區,相互作用,從而產生三維圖像出現。反射全息圖,發現越來越多的應用,如駕駛執照,信用卡,和識別徽章的身份標記,以防止偽造。 通常情況下,它們顯示的標誌,識別號碼,或特定的圖象,使用激光光的三基色的彩色圖像。 每個激光器產生一個唯一的幹涉圖案,圖案加在一起以形成最終的圖像。 因為他們幾乎是不可能複製的,是有價值的反射全息圖的安全設備。

透射全息圖使用的給定值和對象的照明光束在同一側的薄膜,以產生類似的效果,即從反射全息圖(圖8)中的一項。 激光波的一組是用來照亮被成像的對象,它反映的波和散射在類似的方式與普通照明。 此外,偏振的參考激光束施加在全息膜平麵平行的方向上。 散(反射)的光波同時到達膠片乳劑,在那裏他們與參考波幹擾條紋創造的形象。 透射全息圖有許多應用,但最有趣的是抬頭顯示飛行員使用。 在傳統的飛機駕駛艙,飛行員必須不斷地轉移他的注意力之間的窗口和控製麵板。 一個三維的飛機控製透射全息圖與全息顯示,反映到一個磁盤上的位置靠近駕駛員的眼睛,使飛行員可以瀏覽的控製和地平線同時。

結論

此外肥皂泡,美麗的彩虹色的昆蟲,和上麵所討論的許多其他例子,可見光幹擾的現象在自然界發生的頻率很高,在各種各樣的應用中往往是利用人的優勢。 例如,彩虹般的顏色光譜上觀察到裏麵的鮑魚殼(圖9)是由一個堅硬的礦物稱為珍珠層珍珠母貝層非常薄。 從連續層反射的光發生幹涉,以產生類似的方式從幾丁質的多個層上觀察到一些甲蟲的昆蟲的外骨骼中的色彩的顯示。 以同樣的方式,銀色的鱗片上一些魚類產生由於多層不同厚度的彩色幹涉圖樣。

孔雀羽毛的虹彩眼睛是另一個例子的行動中的幹擾(圖9)。 微小的杆狀結構的蛋白質黑色素被安排在一種有序的方式,從不同角度觀察時,產生獨特的幹涉色。 在礦物世界中,虹彩蛋白石組成的微觀矽酸鹽球堆放在常規圖層。 每個球反射入射光的反射光從相鄰領域產生的顏色的石頭變成一個精致的陣列幹擾。

幹擾效應的顯著的和非常有用的應用是精密激光儀器在很長的距離的測量結果。 可以用來測量非常小的距離,在一個範圍內的許多英裏,一個任務是通過分裂的激光束,並從彼此非常靠近的相鄰表麵反射回的激光係統。 當重新將分離的激光束,所產生的幹涉條紋的分析將產生顯著的兩個表麵之間的距離的精確計算。 這一技術也被普遍使用的激光製導係統來控製飛行軌跡的載人和無人飛機,火箭和炸彈。

幹擾也發生在其他媒體,如聲波(空氣中)和一個站在水池的水波紋或波浪誘導。 一個非常簡潔,易於幹涉實驗可以在家裏進行,水槽裝滿水的使用和兩個大理石。 首先,讓水變得非常靜止,然後同時下降彈珠入水(相隔約10-14英寸),從大約一英尺的高度。 正如光波,兩個彈珠會誘發一係列的海浪在水中,在各個方向發出。 彈珠進入水最終會發生碰撞的點之間的區域中形成的波。 碰撞一步,他們將建設性地加在一起,做出更大的浪潮,並在那裏他們碰撞出的步驟破壞性,他們將相互抵消。

幹擾工作在許多方麵影響的事情,AG亚游集团在AG亚游集团的日常生活中看到。 所以經常發生的現象往往被忽視,並視為理所當然的光波之間的相互作用是非常接近的。 然而,從重大貢獻,物理圖像形成和無數聳人聽聞的昆蟲偽裝,光暈和日冕大氣中的美麗的彩色圖案,顏色光波的幹擾,有助於使AG亚游集团周圍的世界。

Visibility (V) = (I(max) - I(min))/(I(max) + I(min))


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