Kỹ thuật hiển vi phân cực thường ứng dụng trong ngành nghiên cứu địa chất và khoa học vật liệu để xác định các khoáng chất dựa trên đặc tính khúc xạ và mầu sắc. Trong ngành sinh học, kính hiển vi phân cực thường được dùng để xác định hoặc chụp ảnh các cấu trúc khúc xạ kép như tinh thể hoặc quan sát Xenluloza trên thành tế bào thực vật hay các hạt tinh bột.
Vật thể khúc xạ kép có đặc tính để tách chùm sáng thành hai chùm chị em qua quá trình khúc xạ. Vật liệu khúc xạ kép bao gồm các vật liệu có cấu trúc phân tử ngăn nắp như tinh thể Canxit hoặc Bo Nitrit. Các mẫu sinh học – như Xenluloza hoặc tinh bột – cũng là mẫu khúc xạ kép. Khi kết hợp với ánh sáng phân cực tuyến tính, khúc xạ kép có thể được sử dụng trong kỹ thuật hiển vi để tạo ra quá trình giao thoa giữa chùm sáng chị em, kết quả sẽ tạo ra các hiệu ứng mầu như vành sáng hoặc chiếu rõ các cấu trúc.
Kính hiển vi quang học thông thường yêu cầu có thêm ít nhất hai bộ phận để có thể thực hiện được kỹ thuật tương phản phân cực. Để phát hiện được khúc xạ kép thì cần sử dụng nguồn sáng phân cực tuyến tính. Do đó, hai bộ lọc phân cực được lắp thêm vào trục quang của kính. Bộ lọc phân cực thứ nhất có chức năng tạo ra ánh sáng phân cực để chiếu xuống mẫu và bộ lọc phân cực thứ hai được gọi là bộ phân tích, có chức năng giới hạn ánh sáng thu được trở thành ánh sáng khúc xạ.
Các bộ lọc phân cực phải được thiết kế vuông góc 90° với nhau để đặt được vị trí được gọi là “vị trí tối”. Khi các bộ lọc phân cực được xác lập ở vị trí này, không có ánh sáng đi qua máy ảnh hoặc thị kính và hình ảnh mẫu vật bị tối đen. Thiết lập vị trí tối là bước quan trọng trong hiển vi ánh sáng phân cực vì yếu tố này đảm bảo chỉ có ánh sáng có biến đổi về mặt phẳng phân cực với mẫu mới có thể quan sát được.
Hình 1: Nguyên lý của hiển vi phân cực: Ánh sáng được phân cực bởi bộ phân cực thứ nhất (1). Sau khi đi qua bộ phân cực thứ nhất (1), ánh sáng được lấy tiêu cự trên mẫu bằng một bộ tụ hiển vi. Nếu mẫu là khúc xạ kép hoặc có cấu trúc khúc xạ kép thì mặt phẳng phân cực của một phần ánh sáng sẽ được xoắn vòng 90° (được thể hiện bằng vạch đỏ trên hình vẽ). Ảnh mẫu vật được phóng đại bằng vật kính và đi tới bộ phân cực thứ hai (2). Nếu bộ phân cực thứ hai (2) được xoắn vòng 90° so với vị trí của bộ phân cực thứ nhất (1) (được gọi là “vị trí tối”) thì chỉ có phần ánh sáng đi qua vật liệu khúc xạ kép mới có thể đi qua và nhìn thấy được. Do đó, chỉ có cấu trúc phân cực mới có thể quan sát được.
Khi ánh sáng đi qua bộ phân cực thứ nhất thì ánh sáng phân cực tuyến tính sẽ được tạo ra. Nếu ánh sáng phân cực tuyến tính đi qua một vật liệu khúc xạ kép trên mặt phẳng phân cực có vị trí phù hợp thì ánh sáng đó được khúc xạ và chia thành hai chùm sáng chị em, và mặt phẳng phân cực của một phần chùm sáng được xoay tới góc 90°. Chùm sáng khúc xạ sau đó đi qua bộ phân cực thứ hai (bộ phân tích), nếu được điều chỉnh ở vị trí phù hợp (có góc 90° so với bộ lọc phân cực thứ nhất). Do đó, chỉ những vật liệu khúc xạ kép mới tạo ra ảnh trong kính hiển vi phân cực.
Hình 2: Ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng được tạo ra bởi một bóng đèn không được phân cực. Điều đó có nghĩa là các sóng điện từ dao động ở tất cả các hướng. Nếu nguồn sáng không phân cực đi qua bộ phân tích thứ nhất (1), thì quá trình phân phân cực sẽ diễn ra, trong trường hợp ánh sáng phân cực theo chiểu thẳng đứng. Nếu ánh sáng phân cực sau đó đi đến bộ phân cực thứ hai (2) có góc 90° so với bộ phân cực thứ nhất (1) thì không có ảnh nào đi qua bộ phân cực thứ hai (2). Do đó, nếu hai bộ phân cực được đặt ở góc 90° so với nhau thì được gọi là “vị trí tối” vì không có ánh sáng nào có thể nhìn được sau bộ phân cực thứ hai (2).
Yêu cầu quan trọng là trục phân cực của vật liệu khúc xạ kép được phát hiện cũng là trục khi ánh sáng được tạo ra bởi bộ phân cực thứ nhất. Do đó, nhiều kính hiển vi phân cực được trạng bị bệ mẫu dạng xoay tròn để đảm bảo bảo quá trình hiệu chỉnh mặt phẳng phân cực của vật thể quan sát được đồng trục với mặt phẳng phân cực của bộ phân cực thứ nhất. Có nhiều loại phụ kiện được thiết kế để đáp ứng các ứng dụng đặc biệt trong trong kỹ thuật hiển vi phân cực.
Thấu kính Bertrand được sử dụng để quan sát điểm hội tụ các hình thái tinh thể tại khẩu độ phía sau thấu kính. Ngoài ra, bộ bù hoặc tấm hãm cũng rất hữu dụng khi phân tích định lượng đối với các mẫu khúc xạ kép.
Hình 3: Tạp chất ruồi trong hổ phách Baltic. Mặc dù hổ phách là vật liệu vô định hình và về lý thuyết là vật liệu đẳng hướng, cấu trúc dòng chảy tạo ra do sức căng nội tại cũng như bởi sức căng của tạp chất có thể quan sát bằng ánh sáng phân cực. Sử dụng ánh sáng phân cực và bộ bù đỏ tạo ra các mầu sắc sống động trong hổ phách vàng khác. Ảnh được chụp kết hợp giữa kỹ thuật ánh sáng tới trường tối, các bộ phân cực, bộ bù red-1, chức năng tạo tông mầu HDRI.
Courtesy of Michael Hügi, Swiss Gemmological Society, Bern, Switzerland.
Hình 4: Mẫu coban, cán nguội, ăn mòn Beraha, phân cực. Kiểm tra hình thái cấu trúc đóng vai trò quyết định trong nghiên cứu khoa học vật liệu và phân tích khuyết tật. Cấu tạo vi cấu trúc chi tiết và tương phản mầu sắc được phát huy bởi quá trình phân cực quang học với mẫu đã ăn mòn dưới kính hiển vi phân cực.
Courtesy of Ursula Christian, University of Pforzheim, Germany.
Hình 5: Axit Tartaric, phân cực
Hình 6: Nhôm, ăn mòn Baker, phân cực
