晶体光学基础理论课件

晶体光学基础理论晶体光学基础理论晶体光学基础理论讲课内容安排1晶体光学基础理论（2课时）2光率体与光性方位（2课时）3偏光显微镜（1课时）4单偏光镜下的晶体光性特征（5课时）5正交偏光镜下的晶体光性特征（6课时）6锥光镜下的晶体光性特征（4课时）7造岩矿物（2课时）讲课内容安排1晶体光学基础理论（2课时）2光率体与光性方位（2课时）3偏光显微镜（1课时）4单偏光镜下的晶体光性特征（5课时）5正交偏光镜下的晶体光性特征（6课时）6锥光镜下的晶体光性特征（4课时）7造岩矿物（2课时）实验课安排单偏光下晶体光学性质（4课时）偏光显微镜的构造与使用解理、多色性、边缘、糙面

突起等级、贝克线正交偏光下晶体光学性质（4课时）

补色法则，干涉色级序消光类型，消光角聚敛偏光下晶体光学性质（2课时）一轴晶干涉图二轴晶干涉图1.晶体光学(透明矿物晶体光学)是研究可见光,尤其是可见偏光通过透明矿物晶体所产生的折射、双折射、偏振、干涉、吸收、色散等一系列光学现象的基础学科.使用的主要仪器有透射偏光显微镜、偏光仪等。2.绝大多数造岩矿物、宝玉石矿物在薄片中是透明的，晶体光学是鉴定和研究岩石和宝玉石显微结构的基本技术。透明矿物不透明矿物3.晶体光学和造岩矿物是岩石学、矿物学、宝玉石学和材料科学等学科研究的基础课程之一。引言:为什么学习晶体光学

4.晶体光学应用的理论、设备、对象基础理论——光率体晶体光学研究中主要是应用偏光使用的仪器——偏光显微镜研究对象——矿物和岩石5、怎样学好本课程1.复习好课程的预备知识

结晶学：晶体对称，分类，晶体定向，晶面符号 物理学：几何光学：折射，反射 物理光学：光的波动性，干涉 矿物学：矿物手标本鉴定特征(晶形，解理，颜色)2.备齐教学用书（晶体光学）3.正确的学习方法每次课前预习30－60分钟；课堂记笔记课后要复习30－60分钟重视实验课，不准缺实验课1.1光的性质与传播1.2自然光和偏光1.3光的反射与折射1.4折射率与折射率仪1.5光的双折射1.6一轴晶和二轴晶第一章晶体光学基础光是一种由光子组成的电磁波，电磁波的振动方向与传播方向互相垂直，即电磁波是横波，故光波亦是横波。

光波是横波的概念，在晶体光学中有不少现象(单偏光、正交偏光、干涉)都与此特征有关。1.光是一种电磁波1.1光的性质与传播波长：在一束光波中，两个相邻的同位相点之间的距离，以λ表示。同一束光波在不同介质中传播时，其波长随介质的物理性质不同而改变。频率：波源在一秒种内振动的次数，以f表示。波源不变，则频率不变，不受介质影响。周期：波源完成一次振动所需要的时间，以T表示。f=1/T。波速：在单位时间内，质点在传播方向上的位移距离，以V表示，V=λ/T=fλ。同一束光波在不同的介质中波速会发生改变。振幅：质点在振动方向上距平衡位置的最大位移距离，以A表示。位相：质点离开平衡位置（为正弦曲线的中轴线）后所经历的时间，可以用周期的分数表示，如T/n(n>1)位相差：如果有两束频率、波长、传播方向相同的光波不同时达到平衡位置，那么两者相邻的同位相点（如波峰）之间的距离，可以用波长的分数表示，如λ/n据其波长全部范围:1015-10-5nm按波长大小，划分为: 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线,等2.电磁波波谱能量增大频率增大波谱能用三种方式表示：频率(Hz)波长(nm)能量(eV)可见光是电磁波谱中很窄的一段，它是正常人的眼睛能见到的一段电磁波．它的波长范围大致为390－770nm

单色光是一定频率范围内呈现同种颜色的光波长增大波长单位通常用纳米(nm)或埃(Å)表示，一纳米是一米的十亿分之一,是一根头发直径的大约八万分之一，常用长度单位的换算关系为：1nm(纳米)=1mμ(毫微米)=10-3μm(微米)=10-6mm(毫米)=10-9m(米) =10Å(埃)3、波长的换算1.1光的性质与传播1.2自然光和偏光1.3光的反射与折射1.4折射率与折射率仪1.5光的双折射1.6一轴晶和二轴晶第一章晶体光学基础1.2自然光和偏光

截面为圆，半径为振幅根据光波振动方向的差别，可以把光波分为自然光和偏光。1.自然光：指直接由太阳或光源发出的、在垂直于光波传播方向的平面内作全方向、等振幅振动的光。只在垂直传播方向的某一固定方向上振动的光波，称为平面偏振光或偏光。偏光—自然光经过反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后，可以转变为偏光振动面—偏光振动方向与传播方向所构成的平面称为振动面。2.偏光偏光化作用—将自然光转变为偏光的作用。晶体光学是岩石观察的基础：偏光显微镜－岩石矿物薄片－观察偏光下的特征摄影方面：过滤杂光－滤光片，只让某一方向的光通过——————就是偏光化作用过滤杂色－滤色片，只让某种颜色光通过，如蓝色，大海和天空3.偏光化作用1.1光的性质与传播1.2自然光和偏光1.3光的反射与折射1.4折射率与折射率仪1.5光的双折射1.6一轴晶和二轴晶第一章晶体光学基础1.3光的反射与折射1、光的直线传播定律

光在同一种物质中传播的路线是呈直线的，称为光的直线传播定律。例如：阳光照进房里、夜间手电筒、激光束、激光笔等的传播。2、光的反射及反射定律反射(Reflection)：光从一种介质射入另一种介质时，在光滑界面上，如果部分光仍回到原来的介质中，这种现象称为光的反射。反射定律反射光线位于入射光线与界面的法线所决定的平面内;入射线和反射线分别位于法线的两侧；3.反射角与入射角相等。反射光在地学中的应用反射现象与反射率是非常重要的,特别是在金属矿物与宝玉石行业，非常有用。矿相学：反光显微镜,用于不透明的金属矿物观察,例如方铅矿、闪锌矿等。不透明的金属矿物反射图像反射光在地学中的应用不透明的金属矿物反射图像（根据祝向平资料）光片中磁黄铁矿与黄铜矿（反光镜下）3、光的折射及折射定律光线从一种介质进入另一种介质，在界面处传播方向便会发生改变，即入射光线和折射光线不在一直线上，这种现象称为光的折射(Refraction).法线入射角－

i折射角－

r1)、定义：2)、折射定律（1)折射线处于入射线与法线构成的平面内；（2)入射线与折射线分别位于法线两侧,若光疏-光密,

i>r,反之光密-光疏,

i<r.3)、折射率(Indexofrefraction)（1)斯涅耳定律sini/sinr=Vi／Vr=Nr-i

Nr-i为常数，仅与r，i介质性质有关，为相对折射率（2)折射率定义——光在真空与其他物质中传播速度之比称为该物质的折射率N：N=V真空／V物质=sini/sinrN真空=1，N空气=1.0003自然界一切N>=1引申：光波在介质中的传播速度与介质的折射率成反比；当光线由介质A进入介质B时，NB=C/VB;NA=C/VA有NB/NA=VA/VB=sinA/sinB阿贝折射率仪工作原理AB当光线由B射入A，如果入射角增至一定角度，使折射角等于90°，这个入射角称为全反射临界角，简称临界角；入射角大于全反射临界角的所有入射线均发生全反射。4、全反射i=,r=90i>,全反射5、折射率与临界角的关系及其应用NBsini=NAsinr若i=,r=90NBsin=NAsin90=NA所以：sin＝NA／NB若A为空气，NA

=1.0003sin＝1

／NB则任何一个已知N的物质,均可以求出

例如：宝石加工，金刚石＝24°20’i=,r=90i>,全反射1).折射率与临界角的关系宝石的折射率为常数,因此临界角也是一个常数,是无法改变的,唯一能改变的是光线从宝石内进入空气前的入射角.

若琢型设计能尽可能使光线的入射角大于临界角,则光线就只在宝石内发生全反射,好的琢型可以使大部分的光线经过全反射从宝石冠部射出,从而增强宝石的亮度.钻石的折射率大，临界角小，全反射范围宽，反射量大，打磨后呈极强金刚光泽．入射光折射光法线临界角全内反射光Diamond2).折射率与临界角关系的应用——宝石加工例如：宝石加工，

金刚石sin＝１/2.42＝０.41＝24°20’

水晶sin＝１/1.55＝０.65＝40°50’6、光的色散（DispersionofSunlight）白光通过透明物质分解成七色光称色散,也称火彩．波长较长的红光折射率较小，波长较短的紫光的折射率较大．自然光在三棱镜中的传播自然光在三棱镜中的传播分解成七色光对于不同波长的光波，介质具有不同的折射率。通常所称的折射率是以黄色光作为光源时物质的折射率。折射率色散强弱一般用蓝光与红光折射率差值来描述。钻石的色散率：D=N（钻石紫）-N（钻石红）=2.451-2.407=0.044是所有天然无色宝石中最高的宝石的色散折射、折射率、临界角的相互关系及其意义，折射率是用光学方法鉴定透明矿物最可靠的参数；也是宝石加工的首选参数。入射光折射光法线临界角全内反射光Diamond一颗钻石的包含的光学原理————进入钻石内部的光线，由于钻石相对空气为光密介质，光线便向法线方向折曲，称为折射，之后，光线会从钻石内部向刻面反射，称为内反射．继后，光线从钻石冠部透出，并再次产生折射；白光从钻石内部折射回空气中时，会分解成七色光，这种现象称为色散，这就是钻石产生火彩的原理．7、为什么研究折射率？折射率值的大小是与晶体的化学成分和内部结构密切相关的，不同矿物的折射率值不同，因此折射率是鉴定矿物的重要光学常数之一。岩石薄片的许多鉴定特征,如糙面\突起\贝克线等都源自于基本的折射率特征。利用偏光显微镜观察N,可以鉴定矿物的不同种类。1.1光的性质与传播1.2自然光和偏光1.3光的反射与折射1.4折射率与折射率仪1.5光的双折射1.6一轴晶和二轴晶第一章晶体光学基础1.5光的双折射入射光物质？1光波在均质体和非均质体中的传播特点晶体的分类

根据透明物质的光学性质，可划分为两大类：均质体

等轴晶系矿物和非晶质物质的光学性质各方向相同，称为光性均质体，简称均质体，如石榴石、萤石、火山玻璃、加拿大树胶等都是均质体。非均质体

中级晶族和低级晶族矿物的对称程度低于等轴晶系矿物，其光学性质随方向而异，称为光性非均质体，简称非均质体，如石英、长石、橄榄石等。绝大多数造岩矿物属于非均质体，是我们研究的重点。均质体——光波入射晶体后，其在各个方向上的传播速度都相等，所以只有一个折射率，不改变入射光波的性质，这样的物体称为光性均质体，简称均质体。其N在各个方向一样,可以使光反射和折射,但是不改变入射光的性质。 自然光——仍为自然光

偏光——仍为偏光3.对于一种均质体,其N是唯一的.4.物质举例:一、光性均质体(各向同性介质)常见造岩物质中的均质体石榴石白榴石萤石尖晶石火山玻璃蛋白石石盐常见造岩物质中的均质体石榴石白榴石萤石尖晶石火山玻璃蛋白石石盐萤石常见造岩物质中的均质体石榴石白榴石萤石尖晶石火山玻璃蛋白石石盐二、光性非均质体(各向异性介质)

1.定义：光波射入物质时，其传播速度随振动方向不同而发生变化，因而其折射率值也因振动方向不同而改变，这样的物体称为光性非均质体，简称非均质体。非均质体的折射率不只是一个，而是多个。举例：冰洲石的双折射现象双折射现象可通过冰洲石来做实验，如果将冰洲石（CaCO3）的一个解理面盖在有一个黑点的纸上，透过冰洲石则出现两个黑点，再在纸面上转动冰洲石时，发现其中一个黑点o始终不动，而另一个黑点e则围绕这个不动的黑点o作圆周运动。若将平躺的冰洲石慢慢以菱形的短轴(C轴)直立，则黑点e向黑点o靠拢，甚至两点互相重合起来，说明光波沿C轴入射不发生双折射，这个特殊方向称为光轴。入射光进入非均质矿物后分解成两束折射角不同，即传遍速度不同的折射光。根据两束光波的速度大小，分别成为慢光（Vg）和快光（Vp）（Vg<Vp）；折射率分别为Ng和Np，Ng>Np。两个折射率之差（Ng-Np）称为双折射率，以△N表示。2.两束折射光在晶体中不产生干涉条纹，所以他们一定是振动方向相互垂直的偏光。特征2.双折射— 当光波射入非均质体后，除特殊方向以外一般都将分解成两束折射率不等、振动方向互相垂直、速度不等的偏光，这种现象称为双折射现象。

一切具有双折射特征的介质均称为光性非均质体。4.光性非均质体特征光入射非均质体后，传播速度——随着振动方向不同而异——因而不同方向具不同主折射率例如：冰洲石,2个主折射率： No=1.658, Ne=1.486，

橄榄石：3个主折射率Ng=1.692, Nm=1.674 Np=1.653（1）存在多个折射率光入射非均质体后，除了特殊方向外，都分解为振动方向相互垂直的2束偏光——这就是偏光化。这2束偏光V、N不同，产生双折射现象(2)改变入射光的性质——偏光化和双折射双折射是光波通过非均质体的普遍特征。当入射光波为自然光时，非均质体能改变入射光波的振动特点。当入射光波为偏光时，也可以改变入射光波的振动方向。（3）光轴是不是光波沿任何方向射入都要发生双折射呢？实验证明，光波沿非均质体的特殊方向射入时（如沿中级晶族晶体的Z轴方向），不发生双折射，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向。在非均质体中，这种不发生双折射的特殊方向称为光轴。光轴代表晶体内部的一个方向，不是仅仅代表一条直线。中级晶族晶体只有一个光轴方向，称为一轴晶；低级晶族晶体有两个光轴方向，称为二轴晶。1.1光的性质与传播1.2自然光和偏光1.3光的反射与折射1.4折射率与折射率仪1.5光的双折射1.6一轴晶和二轴晶第一章晶体光学基础1、一轴晶发生双折射的特征特定频率的光波射入一轴晶矿物，发生双折射分解成两种偏光。1）传播速度一束偏光的传播速度不随入射方向的改变而改变，即它的折射率为常数，这一束偏光称为常光（以No表示）另一束偏光的传播速度则随入射方向的改变而改变，即它的折射率为变数，这一束偏光成为非常光（以Ne表示）2）振动方向在晶体光学中，我们把入射光与光轴构成的平面称为入射面在一轴晶矿物中因为只有一个光轴，故对于一个确定方向的入射光而言，只有一个入射面。常光的振动方向总是垂直于入射面，而非常光的振动方向总是平行于入射面光波射入一轴晶矿物（非均质矿物）时，发生双折射并分解形成两种偏光:常光o—ordinary,方向垂直C轴,各个方向速度和N都完全相同—