Поляризационно-оптический микроскоп с новыми функциональными возможностями

ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП С НОВЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

О.А. Барсуков

Научный руководитель - д.т.н., профессор М.Г. Томилин

Описываются принцип работы и новые возможности поляризационно-оптического микроскопа с использованием жидких кристаллов, позволяющего визуализировать распределение невидимых физических полей на поверхности изучаемого объекта.

Введение

Оптическая микроскопия является одним из наиболее информативных и наглядных методов исследований малых объектов. Существует много схем микроскопов, разработанных для изучения различных классов объектов и их свойств. Существующие оптические микроскопы позволяют наблюдать распределение освещенности при работе в проходящем или отраженном свете от поверхностей объекта. Поляризационные микроскопы расширяют эти возможности, позволяя исследовать структуру объектов и визуализировать распределение внутренних напряжений по степени и типу поляризации прошедшего через объект света.

Целью данной работы является описание устройства и принципа действия нового поляризационно-оптического микроскопа (ПОМ), позволяющего визуализировать на микроуровне некоторые физические поля объекта, например, поля сил молекулярных взаимодействий, электрические и магнитные поля. Так как поля объектов несут в себе информацию об их структуре, свойствах и внутренних процессах, то их визуализация является новым эффективным инструментом исследователя.

Разработка метода визуализации полей объектов методом жидких кристаллов (ЖК) ведется различными учеными в России и за рубежом более 20 лет. Работы Г. Бо-дена, Н. Барбера и З. Стругальского, а также М. Томилина и Э. Аэро по визуализации поверхностных и структурных дефектов заложили основы этого метода [1, 2]. Позднее метод был распространен на изучение биологических объектов для диагностики патологий. Эти исследования проводились как использование ЖК в качестве регистрирующих сред при изучении конкретных объектов. В данной статье предлагается объединить и развить теоретические и практические подходы к предыдущим исследованиям с целью создания нового универсального метода микроскопии, а также рассмотреть области его применения.

Теоретические основы взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью

С оптической точки зрения ЖК представляют собой анизотропные жидкости с большой величиной оптической анизотропии. Они обладают необычными, а в ряде случаев уникальными свойствами по сравнению с традиционными оптическими материалами - возможностью плавного и локального управления оптическими характеристиками среды: светопропусканием, светорассеянием, поляризацией, преломлением, отражением, поглощением света, цветовыми параметрами. Это управление можно осуществлять электрическими, световыми сигналами; механическими, тепловыми, магнитными и даже химическими воздействиями [3].

Основными областями применения ЖК материалов являются дисплеи, оптические устройства и регистрирующие среды [4]. В ряде случаев эти области неразличимы.

Интенсивность света, прошедшего через слой нематических ЖК I (x, y) определяется деформацией жидкокристаллической структуры и описывается уравнением (1) [4]:

I

Фазовая задержка 5(х, у) определяет изменение интенсивности проходящего излучения 1(х, у) в зависимости от деформаций слоя ЖК в соответствии с выражениями (2)-(4):

2п г

5{х) = — [-и0Я + J п{х, y)dy] ,

X

п(х, у) = [пе sin ( + по Cos (]

Я н

V/(x) = -°(пё2 - n-^jlf-pjn3Sm2pV(Pdy.

Здесь Н - толщина слоя ЖК; п(х, у) - показатель преломления деформированной области; п0 - показатель преломления недеформированной области, пе и по - показатели преломления для необыкновенного и обыкновенного лучей, соответственно.

В отсутствие твист-деформации показатель преломления ЖК определяется

где ф(х, у, z) - угол отклонения молекул ЖК по отношению к нормали к длинной стороне молекулы. Обычно величина оптической анизотропии составляет 0,05-0,2, но предельные значения могут достигать 0,4. Это означает, что даже тонкие слои таких ЖК-материалов могут давать значительную фазовую задержку.

Примером расчета деформаций слоя ЖК в окрестности локальной структурной неоднородности (рис. 1) является выражение (6):

J

У

Н

——

NS и --

" —— \\\ и ^ --—

t---—• !11Ш111 ТГ"____х

<Pd ~ Фа

Рис. 1. Изменение пространственной ориентации молекул ЖК

ср( х, у)-р *И(Б-Х)^У ^ + ^^

Га = агс1„-2 + аШ„-2 .

срлсИ(Б-X) +1 сИ(Б -X) +1

ту тех П где У = , X = —, Б = —.

Я Я Я

Данный пример иллюстрирует возможность использования регистрирующих слоев ЖК для визуализации структурных неоднородностей поверхности материалов.

Принцип действия микроскопа

В основе предложенного ПОМ лежит схема обычного поляризационно-оптического микроскопа с добавлением оптически анизотропного слоя ЖК (рис. 2). При самой простой реализации метода на прозрачный объект исследований, находящийся на пробном стекле, наносится тонкий слой ЖК. При этом молекулы ЖК ориентируются в слое в соответствии с распределением полей объекта. Поля могут быть обусловлены действием самых разных сил: поверхностного натяжения, межмолекулярных взаимодействий и других. После этого объект помещают на предметный столик и рассматри-

вают в микроскоп. Изменение ориентации молекул, вызванное деформацией слоя, приведет к изменению фазы проходящего света. При рассмотрении в ПОМ изменение фазы трансформируется в изменение освещенности в поле зрения. Достоинствами данного способа является очевидная простота реализации и наглядность метода.

1

6

1

«"Г*

А

Рис. 2. Схема наблюдений. 1 - источник света, 2 - конденсор, 3 - поляризатор, 4 - предметный столик с объектом, 5 - тонкий слой нематических жидких кристаллов,

6 - анализатор, 7 - объектив микроскопа

Можно сказать, что это экспресс-метод неразрушающего контроля. Цветовой контраст получаемых изображений можно оптимизировать поворотом анализатора относительно поляризатора. Пространственное разрешение составляет величину порядка 2000 лин/мм и ограничено разрешающей способностью объектива микроскопа.

Если поместить объект в слое ЖК в однородное электрическое поле, то переориентация ЖК будет вызвана полем, являющимся результатом суперпозиции наложенного поля и собственного поля объекта. Реализация такой схемы наблюдений возможна с помощью электрооптической ячейки, представленной на рис. 3. Ячейка устанавливается на предметный столик и позволяет приложить к объекту как продольное, так и поперечное поле.

\

1

4 у> - 2

Рис. 3. Электрооптическая ячейка. 1 - плоское стекло, 2 - токопроводящий слой, 3 - корпус, 4 - слой нематического ЖК, содержащий образец, 5 - изолятор

Потенциальные возможности данного микроскопа разнообразны: структурные исследования поверхности объектов, визуализация двумерного распределения поверхностного натяжения и его неоднородностей; исследования биологических объектов (клеток, грибов, бактерий, вирусов, эритроцитов и др.); диагностика злокачественных новообразований; аналитическое определение следов взрывчатых веществ в растворах и др.

Предложенным методом можно модифицировать цифровой голографический микроскоп [5]. Цифровой голографический микроскоп (рис. 4) позволяет получать и регистрировать одновременно и амплитудное, и фазовое изображение объекта. Он представляется весьма эффективным для исследований в области биофотоники. Предложенные усовершенствования позволяют перенести указанные возможности микроскопа и на изображения полей объектов, что сильно расширяет его возможности.

источник проекционным белого света ^ объектив

предметным

пучок

сйетодепмтел

оптоволоконный кабель, сохраняющим поляризацию

электроолтмческая ^_| ^

ячейка ' р-

н«

проецирующая оптическая система

оптоволоконным ввод

опто&олоконныи ввод

опто&олоконныи кабель, сохраняющим поляризацию

Рис. 4. Цифровой голографический микроскоп с жидкокристаллической ячейкой

Заключение

Поляризационно-оптический микроскоп с использованием нематических ЖК существенно расширяет функциональные возможности микроскопии, позволяя визуализировать невидимые физические поля на поверхности изучаемого объекта и кинетику их изменения. Основными достижениями можно считать возможность визуализации однородности структуры исследуемой поверхности в случае отсутствия внешнего Е-поля, а также возможности визуализации собственных Е-полей объекта в случае приложения внешних Е-полей. Отмеченные достижения открывают широкие возможности применения поляризационно-оптического микроскопа в материаловедении, нанотехно-логиях и биофотонике.

Литература

1. Tomilin M.G., Soms L.N. New horizons of optical instruments opened by liquid crystal elements. Abstr. of 6 ECLC, Germany, Halle. 2001. 9P-22.

2. Томилин М.Г. Взаимодействие ЖК с поверхностью. - СПб: Политехника, 2001. -325 с.

3. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. - М.: Наука, 1978. 384с.

4. Aero E.L., Tomilin M.G. The application of LCs for nondestructive testing of optical materials, elements and systems. // Sov. J. Opt. Techn. - 1987. - № 8. - Р. 50-59.

5. Björn Kemper, Daniel Carla, Alexander Höinka, Gert von Ballya, Ilona Bredebuschb, Jürgen Schnekenburgerb. Modular digital holographic microscopy system for marker free quantitative phase contrast imaging of living cells. SPIE Newsroom 10.1117/2.1200608.0364.