微分干涉相衬显微镜中偏光棱镜设计

　　微分干涉相衬显微测量属双光束偏振干涉技术,与普通干涉显微测量、相衬显微测量相比,干涉图像边缘清晰,且边缘部分引起的光程差以光强度差形式表现出来,使图像形成特有的浮雕性。广泛应用在生物医学、材料科学、电子技术、晶体光学等领域中,对各种有机物、无机物进行观察和测量。

　　微分干涉相衬显微测量中的关键技术主要是偏振棱镜设计及系统中各元件光轴间正确位置的确定。本文重点讨论前者,目的是促进该显微测量技术在我国的推广应用。

　　1　微分干涉相衬显微测量系统组成

　　反射式微分干涉相衬显微测量系统如图1(a)所示,此外还有透射式,其光学原理基本相同,偏振棱镜设计是共同的关键技术[1]。

　　众所周知,显微系统中Wollaston棱镜是应用最广泛的一种,该棱镜是由两个光轴相互垂直的楔形单轴晶体胶合而成,它的结构与光路如图1(b)所示。线偏振光入射到棱镜N的上半部时,被分裂成两个线偏振光,它们的振动方向相互垂直,传播方向一致,一个为非常光e,折射率为ne,另一个为寻常光o,其折射率为no.当e光、o光进入胶合面时,即分裂成两束具有某夹角的线偏振光,且折射时e光、o光相互对换,最后从棱镜下半部折射出的光为发散的两束光,射向物镜,这个发散光束的夹角称分束角,发散光束的会聚平面称相干平面,通常在棱镜的内部。

　　由光学系统可知,物镜的后焦面应与复合光的相干平面重合,要求物镜的焦距足够长,对于高放大倍率物镜很难做到。为解决此问题,G.Nomarski对Wol-laston棱镜进行了改进[2],改进后棱镜的相干平面其外部,此种棱镜称Nomarski棱镜。二者主要区别是:在Wollaston棱镜中原来垂直于棱镜短边的光轴,在Nomarski棱镜中则与棱镜短边成某一角度δ。

　　由于δ存在,使光束通过棱镜后的分束角,相干平面位置及与光轴夹角等参数均发生变化,给Nomarski棱镜的设计带来一定困难。

　　2　Nomarski棱镜设计参数间的关系

　　Nomarski棱镜主要设计参数有:楔块楔角γ、棱镜厚度ω、楔块光轴与棱镜短边夹角(称为光轴倾角)δ(参见图2)。参数γ、δ决定了出射非常光与寻常光夹角ε(称分束角,参见图1(b)),相干平面与x轴(棱镜长边的中轴)的夹角η,相干平面离开棱镜表面的距离D(参见图3)[3,4]。

　　2.1　分束角ε

　　为分析问题方便将光线入射棱镜到从棱镜射出分成四个区,如图示1、2、3、4区,其中入射角为α,出射角为β。易知振动方向垂直于纸面的线偏振光在2区中为非常光,在3区中为寻常光,称为eo光。由于2区的棱镜光轴平行于入射面,所以该偏振光在各交界面上的折射遵循Snell折射定律。若楔块楔角为γ,o光在棱镜中的折射率为no,e光在棱镜中最小的主折射率为ne,入射角为α,则该偏振光的最终出射角β′eo可用下式求出