Polarisationsmikroskopie: Mehr Einblick in Geo- und Materialwissenschaften

Die Polarisationsmikroskopie zeigt, was gewöhnliche Hellfeldbeleuchtung nicht sichtbar macht: die optischen Eigenschaften von Kristallen, Mineralen, Fasern und anderen geordneten Materialien. Sie ist eine Kernmethode der Geologie und der Materialwissenschaften und ein Standardverfahren in Lehre, Forschung und Industrielaboren.

Dieser Beitrag erklärt, wie die Polarisationsmikroskopie funktioniert, was sie zeigt, wo sie eingesetzt wird und worauf Sie bei einem Polarisationsmikroskop achten sollten.

Was ist Polarisationsmikroskopie?

Die Polarisationsmikroskopie ist ein Kontrastverfahren, das mit polarisiertem Licht untersucht, wie ein Präparat mit Licht wechselwirkt. Ein Polarisator unterhalb des Präparats lässt nur Licht einer Schwingungsrichtung durch. Ein Analysator oberhalb des Präparats steht im Winkel von 90 Grad zum Polarisator, sodass das Sehfeld ohne Präparat dunkel bleibt. Diese Stellung bezeichnet man als gekreuzte Polarisatoren.

Isotrope Materialien wie Glas oder Minerale mit kubischer Kristallstruktur haben in jeder Richtung dieselbe Brechzahl und bleiben zwischen gekreuzten Polarisatoren dunkel. Anisotrope, also doppelbrechende Materialien spalten das Licht in zwei Strahlen auf, die sich unterschiedlich schnell ausbreiten. Treffen die Strahlen am Analysator wieder zusammen, interferieren sie, und das Präparat erscheint hell und oft kräftig farbig vor dunklem Hintergrund.

Nach ihrem bekanntesten Einsatzgebiet werden Polarisationsmikroskope auch petrographische oder geologische Mikroskope genannt.

So funktioniert ein Polarisationsmikroskop

Ein Polarisationsmikroskop ergänzt ein Durchlichtmikroskop um eine Reihe spezieller Komponenten:

• Polarisator und Analysator: Der Polarisator sitzt unter dem Kondensor, der Analysator im Strahlengang über den Objektiven. Beide lassen sich drehen oder in gekreuzte Stellung bringen.
• Drehtisch: Ein runder Tisch mit Gradeinteilung dreht das Präparat zwischen den Polarisatoren, sodass sich Auslöschungsstellungen und Winkel beobachten und messen lassen.
• Spannungsfreie Optik: Objektive und Kondensoren, die frei von inneren Spannungen gefertigt sind. Gewöhnliche Optik kann eine eigene Doppelbrechung hinzufügen, die als falscher Kontrast erscheinen würde.
• Zentrierbare Objektive: Jedes Objektiv wird auf die Achse des Drehtischs zentriert, sodass das Präparat beim Drehen des Tischs im Sehfeld bleibt.
• Kompensatoren: Ein Lambda-Plättchen (Rot I), ein Lambda/4-Plättchen und ein Quarzkeil werden in den Strahlengang eingeschoben, um den Gangunterschied zu messen und die langsame und schnelle Schwingungsrichtung eines Kristalls zu bestimmen.
• Bertrand-Linse: Sie bringt die hintere Brennebene des Objektivs für die konoskopische Beobachtung ins Bild. Die Interferenzfiguren zeigen, ob ein Kristall einachsig oder zweiachsig ist und welchen optischen Charakter er hat.

Was die Polarisationsmikroskopie auszeichnet

Polarisiertes Licht macht optische Eigenschaften als Kontrast sichtbar. Die Interferenzfarben hängen von der Dicke des Präparats und der Stärke seiner Doppelbrechung ab. Auslöschungswinkel, Pleochroismus, Relief und Interferenzfiguren liefern jeweils weitere Informationen über Identität und Orientierung eines Kristalls.

Damit ist die Polarisationsmikroskopie qualitativ und quantitativ zugleich. Ein geschulter Beobachter kann am selben Instrument ein Mineral bestimmen, Spannungen in einem Formteil sichtbar machen oder mit einem Kompensator den Gangunterschied messen, in der Regel ohne das Präparat zu färben.

Wo die Polarisationsmikroskopie eingesetzt wird

• Geologie und Petrographie: Bestimmung von Mineralen in Gesteinsdünnschliffen und Untersuchung des Gesteinsgefüges.
• Materialwissenschaft: Untersuchung von Polymeren, Fasern, Keramik und kristallinen Materialien sowie von Spannungsmustern in transparenten Bauteilen.
• Chemie und Kristallographie: Beobachtung von Kristallhabitus, Doppelbrechung und Kristallwachstum.
• Baustoffe: Untersuchung von Beton, Gesteinskörnungen und anderen Baumaterialien.
• Biologie: Kontrast in natürlich geordneten Strukturen wie Stärkekörnern, Pflanzenfasern und anderem doppelbrechendem biologischem Material.
• Lehre: Unterricht in optischer Mineralogie und Kristalloptik in geowissenschaftlichen und materialwissenschaftlichen Studiengängen.

Worauf es bei einem Polarisationsmikroskop ankommt

• Spannungsfreie Objektive und spannungsfreier Kondensor, damit jede sichtbare Doppelbrechung vom Präparat stammt.
• Ein um 360 Grad drehbarer Tisch mit Gradeinteilung und darauf zentrierbare Objektive.
• Ein drehbarer Polarisator und ein Analysator, der sich einstellen und aus dem Strahlengang nehmen lässt.
• Kompensatorschlitze mit Lambda-Plättchen, Lambda/4-Plättchen und Quarzkeil.
• Eine Bertrand-Linse für konoskopische Untersuchungen.
• Gleichmäßige LED-Beleuchtung mit Köhler-Justierung und Helligkeitsregelung.
• Ein Okular mit Fadenkreuz für Justierung und Winkelmessungen.
• Ein Trinokulartubus, wenn Sie das Gesehene mit einer Kamera dokumentieren möchten.

Polarisationsmikroskope von LABOMED

Das LABOMED® Lx POL ist ein Polarisationsmikroskop, das genau für diese Anforderungen gebaut ist. Seine spannungsfreien, unendlich korrigierten DIN-Planachromat-Objektive der SF-Serie (4x, 10x und 40x, optional ein Ölimmersionsobjektiv 100x) sitzen in einem nach hinten gerichteten Vierfach-Objektivrevolver und lassen sich einzeln zentrieren.

• Vergrößerung von 40x bis 400x mit den Standardobjektiven und 1000x mit dem optionalen Ölimmersionsobjektiv 100x.
• Ein Drehtisch mit 160 mm Durchmesser, um 360 Grad drehbar in Schritten von einem Grad.
• Ein drehbarer Polarisator und ein einstellbarer Analysator mit Zentrierschrauben, eine fokussierbare Bertrand-Linse sowie Lambda-, Lambda/4-Plättchen und Quarzkeil.
• Ein zentrierbarer, spannungsfreier Kondensor mit NA 0,9.
• LED-Beleuchtung mit Helligkeitsregelung und Leuchtfeldblende nach Köhler.
• Binokular- oder Trinokulartubus nach Siedentopf, 30 Grad geneigt, mit fokussierbaren Okularen 10x/20 mm und Fadenkreuz in einem Okular.
• Am Trinokulartubus: C-Mount-Adapter für die LABOMED-Kameras Vega, Vega 4K und iVu Touch.

Für Arbeiten bei geringer Vergrößerung an größeren Proben lassen sich die Stereomikroskope Luxeo 6Z und Luxeo 6i mit einem optionalen Polarisationsaufsatz ausstatten.

LABOMED-Mikroskope werden von Labotech hergestellt und von Labo America vertrieben, das Ihnen hilft, das Lx POL für Ihr Labor oder Ihren Unterrichtsraum zu konfigurieren.

Häufige Fragen

Wofür wird die Polarisationsmikroskopie eingesetzt?

Sie dient zur Identifizierung und Untersuchung doppelbrechender Materialien: Minerale in Gesteinsdünnschliffen, Kristalle, Polymere, Fasern, Keramik und Baustoffe. Außerdem macht sie Spannungen in transparenten Materialien sichtbar und wird in der Lehre der optischen Mineralogie eingesetzt.

Worin unterscheidet sich ein Polarisationsmikroskop von einem Standardmikroskop?

Ein Polarisationsmikroskop verfügt zusätzlich über Polarisator, Analysator, einen drehbaren Tisch mit Gradeinteilung, spannungsfreie Optik, Kompensatorschlitze und meist eine Bertrand-Linse. Ein Standard-Hellfeldmikroskop besitzt nichts davon und kann Doppelbrechung daher nicht zuverlässig zeigen.

Warum brauchen Polarisationsmikroskope spannungsfreie Objektive?

Spannungen in gewöhnlichem Glas machen die Optik leicht doppelbrechend. Zwischen gekreuzten Polarisatoren erscheint dies als falscher Kontrast, der mit dem Präparat verwechselt werden kann. Spannungsfreie Optik hält den Hintergrund dunkel, sodass nur das Präparat Kontrast erzeugt.

Wozu dient eine Bertrand-Linse?

Mit einer Bertrand-Linse beobachten Sie die hintere Brennebene des Objektivs. Dieses konoskopische Bild zeigt Interferenzfiguren, anhand derer sich bestimmen lässt, ob ein Kristall einachsig oder zweiachsig ist und welchen optischen Charakter er hat.