晶体光学基础

晶体光学及光性矿物学

(CrystalOpticsandOpticalMineralogy)

晶体光学是借助偏光显微镜来研究可见光通过透明矿物晶体所产生的光学现象（颜色、折射、双折射、干涉等）及其规律的一门科学。第一章晶体光学基础第一节光的基本性质第二节光在晶体中的传播※第三节光率体※第四节光性方位第一节光的基本性质光(波)具有“波粒”两相性晶体光学主要利用的是光的波动理论.光(波)是一种电磁波电磁波谱中频率较高,波长范围较短(390—770nm)的一个区段,由波长不同的七色光组成.光(波)是一种横波光的传播方向与振动方向互相垂直。晶体中许多光学现象都与光波是横波这一特征有关.10-11101031051071091012101510-5波长（nm）γ射线χ—射线紫外线可见光红外线短无线电波广播波段长无线电波可见光放大红橙黄绿蓝靛紫390（nm）430460500570590650770第一节光的基本性质自然光和偏振光自然光:

在垂直光波传播方向的断面内，光波作任意方向的振动，且振幅相等.偏振光：在垂直光波传播方向的断面内，光波只在某一固定方向上振动(只有一个振动面)。自然光转化为偏振光的过程称偏振化。第一节光的基本性质自然光和偏振光特点示意图自然光振动面偏振光第一节光的基本性质光的折射与介质的折射率N1-2

：第二介质对第一介质的相折率。若第一介质为真空，则N1-2为介质的(绝对)折射律（N）。N≥1。

N：微观特征的宏观反映；物质的固有属性；重要的光数。=N1-2

Sin

Sin

VBVANANB==M

VA

玻璃块BNB=2.00空气ANA=1.00NOPP′VB第二节光在晶体中的传播

晶体（介质）可分两类：光性均质体和光性非均质体光性均质体特点：光学性质各方向相同（各向同性）。包括：等轴晶系矿物和非晶质物质。光波在均质体中的传播特点:

光波的传播速度不因振动方向※不同而发生改变，即均质体的折射率不因光波在晶体中的振动方向※不同而发生改变.

即均质体折射率值只有一个。光波在均质体中传播示意图A-自然光B-偏光第二节光在晶体中的传播光性非均质体特点：光学性质因方向不同而改变。包括：中级晶族和低级晶族的矿物。光波在非均质体介质中的传播特点：

（1）光波传播速度因在晶体中的振动方向不同而发生改变。因而非均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同而改变。即非均质体的折射率值有许多个。

（2）光波进入光性非均质体后，除特殊方向外，都要发生双折射。相关术语解释见下页光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分解为振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏光，此种现象称为双折射.双折射是非均质介质的普遍特征.光通过非均质体分解成二束偏光示意图

双折射C两种偏光折射率值之差称为双折射率.

双折射率

光轴光波沿非均质体的特殊方向入射时，不发生双折射，这种特殊的方向称为光轴。中级晶族具有一个这样的特殊方向，称为一轴晶矿物；低级晶族具有两个这样的特殊方向，称为二轴晶矿物。第三节光率体1.光率体的由来晶体光学中的许多现象都与光波的振动方向与相应折射率值有关，为了更好地反映光波的振动方向与相应折射率值之间的关系，引入了物理学中的光率体的概念。2.光率体的概念表示光波在晶体中传播时,折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形或一种光性指示体。3.光率体的作法:

设想自晶体中心起，沿光波振动方向按比例截取相应的折射率值，再把各个线段的端点连接起来便构成了光率体.第三节光率体4.均质体光率体

传播速度不因振动方向不同而发生改变,即折射率值各方向相等.光率体是一个球体，球体的半径代表该晶体的折射率.第三节光率体5.一轴晶光率体

5.1推导A.光波沿C轴方向射入晶体,

得到一半径为No的圆切面。B.光波垂直C轴射入晶体，得到一包含Z轴且半径分别为

Ne和No的椭圆切面。C.

联系上面两个切面特征可以得到一轴晶光率体的构成。第三节光率体5.一轴晶光率体

5.2主要特征（1）一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体.（2）直立轴(旋转轴)永远是Ne,水平轴永远是No.（3）Ne和No代表一轴晶光率体最大与最小折射率值，称为主折射率。其它方向的折射率大小介于Ne和No之间，代号Ne′。Ne与No的差值为一轴晶矿物的最大双折射率。（4）若Ne

No，称为正光性；若Ne

No,称为负光性。第三节光率体5.一轴晶光率体

5.2主要切面类型及特征（1）垂直光轴切面（2）平行光轴切面（3）斜交光轴切面

各个切面特征见图示NeNo入射光方向NoNoNoNeNoNo入射光方向NoNeNoNoNoN/e入射光方向N/eNeNoNo一轴晶正光性光率体主要切面示意图(1)垂直光轴切面(2)平行光轴切面(3)斜交光轴切面6.二轴晶光率体

1.6511.715b=Np⊥ca=Ngc1.6801.651⊥ac=Nmb=Npa1.6801.715⊥ba=Ngc=NmbNg（a）Np（b）Nm（c）第三节光率体6.1推导（略）第三节光率体6.二轴晶光率体

(1)三轴不等的椭球体。(2)

三个光学主轴（Ng、Nm、Np轴）。(3)

Ng、Nm、Np（三个主折射率且Ng＞Nm＞Np）。(4)

三个主轴面(彼此之间互相垂直)。(5)两根光轴(OA)。6.2主要特征（要素）6.二轴晶光率体

6.3相关术语第三节光率体(6)

光轴面（AP）：包含两根光轴的切面。同NgNp面。(7)

光轴角(2V)：两根光轴所夹的锐角。(8)

锐角等分线(Bxa)：两光轴所夹锐角的等分线。(9)

钝角等分线(Bxo)：两光轴所夹钝角的等分线。(10)

光性正负:(+)Ng-Nm

Nm-Np或Bxa=Ng(-)Ng-Nm

Nm-Np或Bxo=Ng6.二轴晶光率体

6.4主要切面类型及特征第三节光率体(1)垂直光轴切面（

OA）(2)平行光轴面切面（//AP）(3)垂直Bxa切面：（+）NmNp面（－）NgNm面(4)垂直Bxo切面：（+）NgNm面（－）NmNp面(5)斜交切面：Ng’Np’面各个切面特征见图示NmNmNgNpNmNmNgNpNgNgNg=BxaNp=BxaOANmNpNpOAOAOAOAOAOAOANmNpNmNg⊥OA切面∥AP切面⊥Bxa（+）切面⊥Bxa（—）切面NmNmNmNmNgNpNmNmNg`Np`Ng`NgNgNgNg`Ng`NpNpNpNmNmNpNpNg⊥Bxo（+）切面⊥Bxo（—）切面⊥AP的斜交（+）任意斜交（+）

指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（No、Ne轴或Ng、

Nm、Np轴）与结晶轴（a、b、c轴）之间的相互关系.第四节光性方位1.高级晶族：可不考虑其光性方位问题.2.中级晶族（一轴晶）：结晶轴C轴与光轴Ne轴一致。3