1-2-晶体光学基础理论

晶体光学与光性矿物学（80学时）讲课内容安排1晶体光学基础理论（1）2晶体光学基础理论（2）3单偏光镜下的晶体光性特征4正交偏光镜下的晶体光性特征（1）5正交偏光镜下的晶体光性特征(2)6锥光镜下的晶体光性特征7

宝石的光学性质8系统鉴定每次课2学时实验课安排晶体光学基础知识1偏光显微镜的构造与使用2晶形、颜色、多色性、解理3-4边缘、糙面、突起、闪突起5-6消光，补色法则，干涉色级序7-8消光类型，消光角，延性9一轴晶干涉图10-11二轴晶干涉图12-13系统鉴定实习透明造岩矿物的镜下鉴定14石英、方解石、玉髓等15-17长石族18角闪石族19-20辉石族21橄榄石及其蚀变矿物22云母族23-24未知鉴定

(考试)每次课2学时

晶体光学:研究可见光通过透明矿物晶体时的一些光学现象及其变化规律的学科。

研究目的：根据光学特征鉴定矿物种属、鉴定宝石。鉴定矿物种属有没有其它方法？彼此之间在原理上有哪些差异？鉴定矿物的其他方法:形态、力学性质（如解理、裂开）、密度、磁性颜色（主要是吸收色）、粉末色（条痕色）、反光强度、荧光效应等化学成分。。。晶体光学：强调可见光光线在穿过透明矿物之后产生的光学效应，借助光学效应之间的差别来鉴别矿物种属。第1讲晶体光学基础原理.上光的波动性可见光、单色光与白光、自然光与偏光光的折射与折射率双折射和双折射率光的全反射和全反射临界角光性均质体与光性非均质体

一、光学基础知识光是一种电磁波（横波）微粒学说波动学说波粒二象性电磁波:交变电磁状态的传播电分量磁分量1、光的波动性电磁波是一种横波，因此光也是横波：振动方向与传播方向相互垂直光波具有一切电磁波属性：反射、折射、干涉、偏振、色散、衍射特征。光是一种高频波（波长小），可以在固、液、气相多种媒质中传播。F=V/

图中波自左向右以速度V传播波长

：相邻两波峰之间的距离频率F

：每秒钟内波峰通过某一点处的次数振幅A：波的高度波的相关术语可见光：正常的人眼能感觉到的电磁波。单色光：频率为某一定值或在某一窄小范围的可见光。白光：是指由七种基本单色光混合的光（如日光）。2.可见光、单色光、白光可见光在电磁波谱中的位置波长（nm）紫外红外紫兰绿黄橙红390430500570590650770波长nm人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近555nm自然光:在垂直光波传播方向的平面内，各个方向上都有等振幅振动的光波偏光:仅在垂直光波传播方向的某一个固定方向上振动的光波偏光化作用(Polarization)：使自然光转变为偏光的作用。反射、折射、双折射、选择性吸收可使自然光转变为偏振光。3、光的折射与折射率生活中的光折射折射定律（Snell定律）：N=Vi

/Vr

=Sini

/Sinr.irNi>NrNrNiirNi<NrNrNiirNiNrNi<NrirNi>NrNrNi法线法线WaterAir疏密密疏1）由光疏进入光密物质，折向光法线；由光密进入光疏物质，偏离光法线。2）N：折射介质对入射介质的相对折射率，若入射介质为真空，为绝对折射率。3）一般而言，矿物折射率指矿物对黄光的折射率（为什么？）。4）光在介质中的传播速度受微观结构（键性、质点类型、堆积的紧密程度等）的控制，因此折射率是反映介质成分和微观结构的重要参数。

注意：光波在非均质体中传播时，决定光波传播速度及折射率大小的是光波在晶体中的振动方向，而不是传播方向.思考：所有介质的折射率总是>1，为什么？垂直入射的光线如何折射？ΦNrNiNi>NrΦ为全反射临界角*光波由光密物质进入光疏物质，当入射角增大到某一临界角Φ时，会产生全反射，据此原理，在已知Ni时，测出Φ值就能测出Nr.4、光的全反射和全反射临界角折射定律：

N=Vi

/Vr

=Sini

/Sinr

=Nr/Ni

Sinr

=Sini/N若Sini=N,则r=90

密疏双折射现象的发现：冰洲石下的双像1669年的一天，丹麦科学家巴塞林那斯(E.Bartholinus)无意中发现：透过冰洲石的书每个字都变成了两个。10年后，荷兰物理学家惠更斯(ChristiaanHuygens)看到了这一记载，并给出了解释：一束光射入冰洲石后会分为两束光（双折射）这两束光的一束遵从折射定律，称为常光，以O表示；而另外一束不遵从折射定律，称为非常光，以e表示如冰洲石越厚，两束光分得越开。5、双折射和双折射率冰洲石（方解石）矿物的双折射效应oe冰洲石当光线入射到矿物晶体之中时，一般都会发生双折射现象。即形成两束折射光。一束为寻常光线（o光），服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，即各方向的折射率相同。一束为异常光线（e光），不服从折射定律，沿各方向的光的传播速度不同，即各方向的折射率不相同。ne=1.468，no=1.658相关说明：（1）o光与e光均为偏振光，二者常具有不同的传播方向和传播速度，折射率也不相同。二者之间的差为双折率。（2）传播方向：o

光始终在入射面（晶面法线与入射线所决定的平面）内传播，且在介质中的传播速度不受传播方向的影响；e光一般不在入射面内，传播速度随振动方向变化，因此最大的Ne才有鉴定意义。（3）o光的振动方向与主平面（光线和光轴所决定的平面）垂直；e光的振动方向与主平面平行。因此两者振动方向相互垂直。（4）光轴：晶体内特殊的光性方位，当光线沿光轴方向入射时，o光和e光具有相同的折射率和波速，不发生双折射。渥拉斯顿棱镜由两块光轴相互垂直的方解石（no>ne）直角棱镜组成，具有起偏作用、分光作用。渥拉斯顿棱镜工作原理••eOABDCO方解石••••光密→光疏e•O光振动垂直于主平面；e光振动//主平面光疏→光密o光变e光e光变o光平行振动垂直振动光轴把方解石（ne=1.468，no=1.658)按长度为宽度的2.8倍的比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成两半，再以n=1.550的加拿大树胶粘合成原来形状。加拿大树胶尼科耳棱镜续上方解石主截面将71修磨成6868CC光轴ennOn胶=1.49=1.66=1.55nOn胶具备全反射条件O光上述设计可保证大于全反射临界角Oi只有从端面输出光eABO光光eOi被涂黑的器壁吸收光e71尼科耳棱镜工作原理6、光性均质体与光性非均质体光性均质体光性非均质体光性均质体指光学性质各个方向相同的物质，如玻璃质和等轴晶系的矿物传播速率不因振动方向的不同而改变，任何方向振动的光波折射率相同自然光仍为自然光，偏振光仍为偏振光不发生双折射思考：是否会发生折射（传播方向改变）

？光性非均质体

光学性质因方向而异的矿物，即除等轴晶系以外的所有其它晶系的矿物

传播速度、折射率随光波的振动方向而变。有一个或者两个光轴，一轴晶和二轴晶(中、低级晶族)

除特殊方向外均要发生双折射，分解成两个振动方向不同、传播速度不同、折射率不等的两种偏光。晶体光学基础理论（1）小结

光的波动性：电磁波、横波、高频波可见光（390-770nm）、单色光/白光、自然光/偏光白光可以是自然光，也可以是偏光自然光可以是白光，也可以是单色光偏光可以是白光，也可以是单色光

光的折射：折射后发生了什么？V、F、、传播方向

光的全反射和全反射临界角双折射：光透过多数矿物（哪些例外？），分解为2束（O、e）折射率、波速、传播方向不同、偏振光

O光振动方向⊥主平面，e光振动方向∥主平面双折率：abs(No－Ne)主截面、主平面、入射面、主轴面光的主平面：晶体中的光线与光轴所形成的平面晶体主截面：由光轴和晶体表面的法线所组成的平面

入射面：晶面法线与入射线所决定的平面

主轴面（主切面）：包含2个主轴的切面

光性均质体/光性非均质体（是否发生双折射）

主截面：光轴和晶体表面法线组成的平面主平面：某一光线(o光或e光)与光轴组成的平面光轴法线o光e光光轴法线一般情况下，e光不一定在入射面内，o光和e光的主平面并不重合光轴o光光轴e光主截面o光主平面e光主平面双折射与光传播方向改变的问题常光：遵循折射定律（No=SinI/Sinr）非常光：不遵循折射定律，可用惠更斯作图法求出其传播方向光轴光轴惠更斯原理(作图法)解释惠更斯原理：媒质中任一波阵面上的各点，都是发射子波的新波源，其后任意时刻，这些子波的包络面就是新的波阵面光轴光轴均质体:

单折射(一个折射率)自然光进自然光出，偏振光进偏振光出类玻璃质：玻璃、水、空气、树胶……等轴晶系：石榴石、萤石、尖晶石……一轴晶:(2个主折射率)六方晶系：磷灰石、霞石……四方晶系：锆石、方柱石……三方晶系：石英、方解石……二轴晶:(3个主折射率)斜方晶系：橄榄石、紫苏辉石……单斜晶系：普通角闪石、透长石……三斜晶系：斜长石、硅灰石……非均质体:

光从非光轴方向入射，产生双折射，分解成振动方向互相垂直的两束偏振光。晶体光学研究的对象第2讲晶体光学基础原理.下光率体：表示光波在晶体中传播时，折射率值随光波振动方向而变化规律的一种光性指示体。（是光的振动方向，不是传播方向！）二、晶体光率体（重要！）光率体示意图光率体不是实际的物体，而是抽象的立体模型，用来解释晶体中光学现象的简单直观的假想的指示体半径的长度表示N的大小1.均质体光率体

不同方向振动的光波折射率相等，故为一圆球体任何切面都是圆切面圆切面的半径＝N只有一个折射率值NNNNN2.一轴晶光率体

形态：旋转椭球体，旋转轴与结晶轴C轴一致平行于结晶轴C轴方向入射的光波,在垂直于C轴的平面内振动，折射率为No，不产生双折射。因此C轴与光轴一致。垂直于C轴入射的光波，将解为平行和垂直于C轴振动的两种偏光，前者折射率为Ne，后者为No。NeNoNe>No,正光性光率体，如石英Ne<No,负光性光率体如方解石光性正负的区分光率体要素：

有No和Ne两个主折射率，或光率体椭球半径，介于之间者为Ne’

abs(Ne–No)为最大双折射率有一个光轴（OA）//Ne//C轴NeNoNe’主要切面及其意义垂直OA切面：半径为No的圆切面，可测定No的颜色和折射率，轴性及光符NoNo平行OA的切面：半径为Ne、No的椭圆切面，因含光轴，又称光轴面（OP），可测Ne、No的折射率和颜色，矿物的最大双折射率NeNoNoNe（+）（-）斜交光轴的切面：半径为Ne’、No的椭圆切面，可测No的折射率和颜色，当斜交角较小时，可用来确定光性符号Ne’No注意:一轴晶的光率体所有切面上都有No垂直OA切面平行OA切面斜交OA切面正光性负光性NoNeNoNe’NoNoNeNoNe‘连连看！3.二轴晶光率体光率体形态：三轴（半径）不等的椭球体，三个椭圆半径分别为Ng、Nm、Np。Ng>Nm>NpNg>Nm>NpXYZ光率体要素：三个主折射率：Ng(>Ng’>)Nm(>Np’>)Np

两个光轴（OA）光轴角（2V角）：两光轴锐角夹角

Bxa：两光轴锐角平分线,可是Ng,也可是Np；Bxo：钝角平分线光轴面（AP）：包含两个光轴的切面NgNpNm正光性：Ng=BxaNg-Nm>Nm-Np负光性:Ng=BxoNg-Nm<Nm-Np光性正负之分主要切面及意义(1)⊥ＯＡ切面：半径为Nm的圆切面，可测Ｎm的颜色和折射率，锥光下可测轴性和光符，光轴角大小。NmNm(2)

∥光轴面(AP)切面：NgNp面，为椭圆，长短半径为Ng和Np,光波⊥该面入射（沿Nm轴），发生双折射，双折射率＝Ng-Np，为二轴晶矿物最大双折率。Nm(3)

⊥Bxa的切面(＋):⊥Ng轴的切面，NmNp面。为椭圆切面,长短半径为Nm、Np。双折射率＝⊥Bxa的切面(－):⊥Np轴的切面,NmNg面。为椭圆切面,长短半径为Ng、和Nm。双折射率＝(4)

⊥Bxo的切面(＋):⊥Np轴的切面,NmNg面。为椭圆切面。长短半径为Ng和Nm。双折射率＝⊥Bxo的切面(－):⊥Ng轴的切面,NmNp面。椭圆切面。长短半径为Nm和Np.双折射率＝(5)斜交切面:不⊥光轴和主轴。有无数个，均为椭圆切面,可分为:

任意斜交切面:椭圆的长短半径以Ng’和Np’表示,Ng＞Ng’＞Nm＞Np’＞Np。双折射率＝Ng’-Np’

半任意斜交切面:又称⊥主轴面的斜交切面，即⊥NgNp面、NgNm面、NmNp面的斜交切面。切面椭圆长短半径中，总有一个半径是主轴（Ng,Nm,Np),另一个是Ng’或Np’.小结光率体定义：是表示光波在晶体中传播时，光的振动方向与相应折射率值之间关系的光性指示体。均质体为圆球体，一轴晶为以直立轴为旋转轴的旋转椭球体，二轴晶为三轴椭球体。

1、形状从简单到复杂，切面、光率体要素也一样.2、一轴晶为二轴晶2V＝0时的特殊情况.3、均质体也可以作为一轴晶Ne=No的特殊情况.4、二轴晶正光性，当Nm=Np时变为一轴晶正光性.

二轴晶负光性，当Nm=Ng时变为一轴晶负光性.三、光性方位光性方位：光率体主轴与晶体结晶轴间的关系。xyz

1.均质体的光性方位光率体为圆球，无方位可言。2.中级晶族（一轴晶）的光性方位光率体为旋转椭球体，旋转轴为Ne，Ne轴=高次对称轴(C轴)=光轴(OA)。一轴晶正光性矿物的光性方位一轴晶负光性矿物的光性方位石英的光性方位方解石的光性方位（1）斜方晶系光性方位

光率体的三个主轴与三个结晶轴一致(平行)。具体情况因矿物而异。

如黄玉:

Np//ａ，Nm//b，Ng//c3