Полихроматический поляризационный микроскоп: привносим цвета в бесцветный мир

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 17340 (2015) Цитировать эту статью

12 тысяч доступов

28 цитат

23 Альтметрика

Подробности о метриках

Интерференция двух объединенных лучей белого света дает цвета Ньютона, если один из лучей запаздывает относительно другого на от 400 до 2000 нм. В этом случае соответствующие мешающие спектральные компоненты добавляются как два скаляра при комбинации лучей. Если замедление ниже 400 нм, двухлучевая интерференция дает только серые оттенки. Интерференционные цвета широко используются для анализа двулучепреломляющих образцов в минералогии. Однако многие биологические структуры имеют замедление <100 нм. Поэтому клетки и ткани под обычным поляризационным микроскопом выглядят как серое изображение, контраст которого исчезает при определенных ориентациях. Здесь мы впервые предлагаем использовать векторную интерференцию поляризованного света, при которой цвета полного спектра создаются с задержкой в ​​несколько нанометров, а оттенок определяется ориентацией двулучепреломляющей структуры. Ранее бесцветные двулучепреломляющие изображения органелл, клеток и тканей становятся ярко окрашенными. Такой подход может открыть новые возможности для исследования биологических образцов со слабыми двулучепреломляющими структурами, диагностики различных заболеваний, визуализации кристаллов с низким двулучепреломлением и создания новых методов управления цветами светового луча.

Естественный белый свет состоит из смеси монохроматических волн с длинами волн от 380 до 700 нм1. Если световой луч разложить на две части, а затем вновь соединить, мы сможем наблюдать интерференцию. Каждая монохроматическая волна создает собственную интерференционную картину. Некоторые волны испытывают разрушительную интерференцию, и их интенсивность уменьшается. Интенсивность других волн увеличивается за счет конструктивной интерференции. Комбинированный луч демонстрирует интерференционные цвета Ньютона. Оттенок определяется длиной волны, которая отсутствует в спектре из-за деструктивной интерференции.

Существует два типа интерференционных цветов: один с начальным нулевым сдвигом фазы между двумя интерферирующими лучами (белая ахроматическая полоса, конструктивная интерференция) и другой с начальным полуволновым сдвигом фазы (черная ахроматическая полоса, деструктивная интерференция)2,3,4,5 . Они создают дополнительные последовательности цветов, которые описываются цветовой шкалой Ньютона. Второй тип интерференционных цветов возникает при отражении от мыльного пузыря, двух близких сферических и плоских стеклянных поверхностей (цветных колец Ньютона), нефтяного пятна в луже или масляного пятна на мокром асфальте и т. д. Этот вид интерференции применяется в интерференционных и поляризационная микроскопия, поскольку она более чувствительна к малому изменению запаздывания и несет меньший дробовой шум. При небольшом запаздывании (<200 нм) деструктивная интерференция ослабляется для всех длин волн одновременно и яркость области увеличивается, сначала с белым спектральным составом. Но после того, как замедление приближается к 400 нм, синяя часть спектра подавляется и образец становится желтым, а затем красным. Как только замедление достигает 600 нм, красная часть спектра блокируется, и образец становится синим, а затем зеленым. Цвет меняется в этой последовательности еще три раза, пока замедление не достигнет 2000 нм. Тогда интерференционные цвета становятся белыми, и запаздывание уже невозможно надежно определить по спектральному составу области. Окрашивание поляризованным светом уже много лет широко используется в минералогии и петрографии6,7,8,9,10,11,12. Но это явление ранее не могло быть использовано в биологии, поскольку многие биологические образцы обладают замедлением в несколько десятков нм и менее и поэтому бесцветны.

Мы разработали новый полихроматический поляризационный световой микроскоп (полихроматический полскоп), который воспроизводит интерференционные цвета с запаздыванием в несколько нм. Традиционные цвета Ньютона требуют, чтобы интерферирующие лучи с одинаковыми состояниями поляризации и амплитудами лучей складывались как два скаляра. В нашем подходе к генерации интерференционных цветов мы используем поляризацию луча и амплитуды интерферирующих лучей, которые складываются как два вектора. В полихроматическом польскопе оттенок определяется ориентацией двулучепреломляющей структуры, а не ее замедлением. Таким образом, цвет полного спектра может быть достигнут при гораздо более низком запаздывании. Полихроматический полскоп показывает независимое от ориентации изображение двойного лучепреломления, не требуя каких-либо цифровых вычислений. Глаз или камера могут напрямую видеть цветное поляризационное изображение в реальном времени через окуляр с яркостью, соответствующей задержке, и цветом, соответствующим ориентации медленной оси. Ранее бесцветные органеллы, клетки и ткани, изображения двулучепреломляющихся, становятся ярко окрашенными.