第三章晶体光学基础1.ppt

1、晶体光学是研究可见光通过透明晶体时所产生的一些光学现象及其原理的一门科学。 不同的透明矿物显示的光学性质不相同，据此可鉴定透明矿物。 晶体光学是研究、鉴定透明矿物及岩石的重要方法。 晶体光学的应用已经不仅仅限于矿物学和岩石学方面，在玻璃、陶瓷、药品、盐类、铸石及建筑材料等方面，也应用晶体光学原理和方法进行研究和鉴定。,前 言,第一节 光在晶体中的传播,光是具有一定波长的电磁波；具有波动性和微粒性。 光电效应的发现，证明了光是一物质（即光是由具有极小能量的粒“光子”组成的），而波动是质的运动形式。 光的波动形式以正弦曲线运动，其传播方向与振动方向相互垂直。,光在真空中速度是：,自然光一切普通光源

2、所发出的光。（太阳、灯） 特点：在垂直于光波传播方向的平面内，各方向上都有等幅的光振动，其振动面是瞬息万变的，有无数个。,一、自然光与偏振光 光依据光波的振动特点分：自然光与偏振光,由于自然光是各种光波的混合波，故在垂直光波传播方向的平面内，各方向上都有等振幅的光波振动。,偏光和自然光不同 偏振光振动方向固定不变 特点：在垂直于光波传播方向的平面内，只有一个固定方向上有等幅的光振动，振动面只有一个。又称为平面偏光。 振动面：偏光的振动方向与传播方向所构成的平面称振动面。,在晶体光学中，主要利用平面偏振光，很少利用自然光。 偏光显微镜：利用双折射和选择性吸收作用产生偏光的原理 自然光通过偏光镜后

3、成为振动方向固定的偏光。,反射光线,二、 光的折射与折射率,1、光的折射（折射定律)入射线，折射线和折射面的法线恒处于同一平面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比等于光波在入射介质与折射介质中的波速之比。,N2,1=Vi/Vr =sini/sinr N2,1折射介质对入射介质的折射率。 若入射介质为真空，则N称为折射介质的绝对折射率，简称折射率。 N = sini/sinr = V0/Vr 常把空气的折射率视为1（1.00029）。 光在其它介质中传播速度总是小于真空中的速度，故其它介质的折射率总大于1。,介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。,同一介质的折射率视所用光波的波长而异

4、，这种性质称为折射率色散。 对于同一介质，入射光波波长与折射率成反比关系。 为了不受色散影响，测定N应在单色光中进行，通常都是利用589.5nm的黄色光。 实践证明，在晶体光学研究中，折射率值是鉴定透明矿物晶体最可靠的常数之一。,白光,色散光,光的色散,单色光：是只有一种频率或波长的光。 复色光：是包括多种频率的光。 光的色散：是复色光分解为单色光而形成光谱的 现象。,三、光波在均质体和非均质体中的传播特点,根据晶体的光学性质，将透明固体物质分为二类：均质体与非均质体。,1、光在均质体中的传播 其传播速度不因光波振动方向的改变而发生变化。各个方向上的光学性质相同，即： 1）光在均质体中传播时，

5、只发生单折射， 2）其折射率值只有一个， 3）并且入射光波的振动特点和振动方向基本不改变。,常见的均质体有二类：非晶体（如玻璃、树胶等）和等轴晶系的晶体（如萤石、方镁石、石盐等）。,2、光在非均质体中的传播 光波在非均质体中传播时，除特殊方向外其传播速度随光波振动方向不同而发生改变，其光学性质随方向而异。即非均质体的折射率值不只一个。,光波通过非均质体的重要特征是： 光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分解成振动方向相互垂直且传播速度不等的两种偏光即发生双折射现象（如图）。 两条偏光的折射率值之差称为双折射率。,中级晶族和低级晶族矿物晶体均属于非均质体。,当光波沿非均质体的某些特殊方向传播时（

6、如中级晶族Z轴方向），不发生双折射，基本不改变入射光的振动特点和方向。把这一特殊方向称为光轴。,一轴晶晶体中只有一个方向不产生双折射，即只有一根光轴（中级晶族晶体）。,二轴晶晶体中有二个方向不产生双折射，即有二根光轴（低级晶族晶体）。,对于一轴晶，除光轴方向外，入射光均有二个折射率，一偏光振动方向永远与光轴垂直常光，以“o”表示；其折射率值保持不变，以“No”表示。,注意：光波在非均质体中传播时，决定光速及相应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。,另一偏光振动方向平行于光轴和光波传播方向构成的平面非常光，以“e”表示；其折射率值随光波振动方向不同而变化，以“Ne”表示。,第二节

7、 光率体,表示光波在晶体中传播时，其振动方向与相应折射率之间关系的光性指示体（立体几何图形）。,根据晶体的对称特征，分为三类：均质体光率体、一轴晶光率体、二轴晶光率体。,1、光率体概念,2、光率体的作法,设想自晶体中心起，沿光波在晶体中的振动方向，按比例截取相应的折射率值，每一个振动方向都可作出一个线段，把各个线段的端点，连接起来便构成该晶体的光率体。,晶体光学基础,3、光率体的分类,形态均质体的光率体是一个圆球体； 对光性的指示过光率体的中心垂直入射光作切面，在任何方向上得到的都是圆切面，圆切面的半径代表其折射率值。均质体的光率体是一个圆球体，可用球面方程表示：X2+Y2+Z2=n2，其中n

8、为均质体的折射率。,3.1 均质体光率体,3.2、一轴晶光率体,中级晶族晶体a=bc，水平方向上的光学性质相同。据测定，光波在此类晶体中传播时： 当光波振动方向Z轴时，相应的折射率值相等，为常光的折射率值，以“No”表示。 当振动方向Z轴时，折射率值与No相差最大，为非常光折射率值，以“Ne”表示。,当振动方向与Z轴斜交时，相应的折射率值递变于No 与Ne之间，也为非常光的折射率，以“Ne”表示。 Ne与Z轴夹角越小，Ne越接近于Ne，反之越接近No。 因此，一轴晶光率体是一个以Z轴为旋转轴的旋转椭球体。,一轴晶正光性光率体（石英） A、当光Z轴入射时，无双折射，Z轴的各振动方向N均为1.54

9、4（No），以No为半径，构成一个Z轴的圆切面。,现以石英和方解石为例，说明一轴晶光率体的构成：,B、当光波Z轴入射时，分解为振动方向 Z轴的No和Z轴的Ne1.553，构成一个Z轴的椭圆切面。垂直Z轴的其它任何方向射入的光线均可构成相同的椭圆切面 。,将以上一系列椭圆切面和圆切面按其空间位置联系起来，便构成以石英Z轴为旋转轴的一个长形旋转椭球体，即为石英的光率体，旋转轴为光轴。,正光性(Ne No),晶体光学基础,石英这一类光率体的特征是：旋转轴为长轴，NeNo，即NeNg（大折射率），NoNp（小折射率）。凡是具有这种特点的光率体都称为一轴晶正光性光率体，相应的矿物称一轴晶正光性矿物。,晶

10、体光学基础,方解石光率体的作法与石英类似，No1.658，Ne1.486。不同的是，方解石的光率体为一以Z轴（短轴）为旋转轴的扁形旋转椭球体，即NeNo。凡具有这种特点的光率体称为一轴晶负光性光率体，相应的矿物称为一轴晶负光性矿物。,一轴晶负光性光率体（方解石）,一轴晶光率体无论光性正负，其旋转轴（直立轴）都是Ne轴（光轴），水平轴为No轴，Ne与No代表一轴晶矿物折射率的最大或最小值，称主折射率，其相对大小决定一轴晶矿物光性符号。 Ne与No的差值为一轴晶矿物的最大双折率。,负光性(Ne No),晶体光学基础,一轴晶光率体的主要切面,晶体光学基础,二轴晶光率体,光轴,光轴,2V,圆切面,圆切

11、面,3.3、二轴晶光率体,低级晶族，abc，表明它们在三维空间上的内部结构和光学性质的不均一性。 实验测定，这类矿物晶体具有大、中、小三个主折射率，分别与相互垂直的三个振动方向相当，以Ng、Nm、Np表示，当光波沿其它方向振动时，相应的折射率递变于三者之间，以Ng和Np表示，它们的相对大小是NgNgNmNpNp。,晶体光学基础,（以镁橄榄石（3L23PC）为例来说明二轴晶光率体的构成）： 当光波沿c轴方向入射，发生双折射，产生二束偏光，其一振动方向平行a轴，折射率为 Ng=1.715，另一偏光振动方向平行b轴，折射率为Np=1.651,由此可得c轴的椭圆切面；,二轴晶光率体的构成,当光波沿a轴

12、方向入射，发生双折射，其一偏光振动方向平行c轴，折射率为Nm=1.680，另一偏光振动方向平行b轴，折射率为Np=1.651,由此可得a轴的椭圆切面;,当光波沿b轴方向入射，发生双折射，其一偏光振动方向平行c轴，折射率为Nm=1.680，另一偏光振动方向平行a轴，折射率为Ng=1.715,由此可得b轴的椭圆切面.,将三个椭圆切面按它们在空间的不同方位联系起来，即得到镁橄榄石的光率体三轴椭球体。,实验证明，低级晶族晶体的光率体都是三轴不等的椭球体。,二轴晶光率体的主要特征,A、二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体，三轴互相垂直，有三个主折射率，最大双折率为NgNp。 B、有三个光学主轴，简称“主轴

13、”，即Ng、Nm、Np所代表的三个光学方向。其中包含两个主轴的面称为主轴面（主切面）。二轴晶光率体有三个互相垂直的主轴面，即NgNm面、NgNp面和NmNp面，均为椭圆。,晶体光学基础,C、有两个光轴，且有光性正负之分。 如图，通过Nm在光率体一侧的Ng和Np之间，可做一系列椭圆切面，Nm始终是半径之一，另一半径的长短递变于Ng和Np之间，因为连续变化，所以必定有一个半径等于Nm的圆切面。在另一侧同样可找到另一圆切面。,OA,OA,OA,晶体光学基础,包括两个光轴的面称光轴面，以“Ap”表示。Ap与NgNp主轴面一致。 垂直光轴面的方向称光学法线，与Nm一致。 两光轴之间的锐角称光轴角，以“2

14、V”表示。 2V的大小取决于NgNm和NmNp大小。,晶体光学基础,确定二轴晶矿物光性符号的方法： 当NgNmNmNp时为正光性。说明Nm接近于Np，所以圆切面必然靠近Np，而垂直于圆切面的两个光轴必然靠近Ng，所以此时BxaNg，BxoNp。 当NgNmNmNp时为负光性。与上述相反，BxaNp，BxoNg。,两光轴之间锐角的平分线称锐角等分线，以“Bxa”表示；钝角的平分线称钝角等分线，以“Bxo”表示。,晶体光学基础,晶体光学基础,a.二根光轴的位置： 在NgNp主轴面上,通过Nm在光率体的一侧可作一系列椭圆切面,一半径是Nm,另一半径连续变化于Ng与Np之间,当该半径等于Nm时,即为一

15、圆切面;同理,另一侧也存在一个圆切面。圆切面的法线即为光轴方向。,(3) 二轴晶光率体分析,b.光轴面和光轴角 光轴面包含二根光轴的平面（与NgNp主轴面一致，以AP 表示）。AP方向称为光学法线（即Nm方向）。 光轴角二根光轴之间的夹角（锐角以2V表示，钝角以2E表示）。锐角的平分线称为锐角等分线，以Bxa表示； 钝角的平分线称为钝角等分线，以Bxo表示。,c.光性正负与光轴角计算 光性正负确定： 当Ng-NmNm-Np , 即Bxa=Ng，Bxo=Np,为正光性； 当Ng-NmNm-Np, 即Bxa=Np，Bxo=Ng,为负光性。,d.光轴角计算： (+) tgV=(Nm-Np)/(Ng-

16、Nm)1/2 (-) tgV=(Ng-Nm)/(Nm-Np)1/2,e.对光性指示：过光率体中心垂直入射光作切面，在得到的椭圆切面上，可反映出光波振动方向，折射率值和双折射率值。,a.OA的切面：为一圆切面，无双折射现象，只有一个折射率值，即Nm； b.AP的切面：为一椭圆切面，长短半径分别为Ng和Np。有双折射现象，折射率分别为Ng和Np ，双折射率为Ng-Np，是二轴晶的最大双折射率值 ；,(4)二轴晶光率体的主要切面,c.Bxa的切面：椭圆，正光性晶体相当于NmNp主轴面，双折率为NmNp；负光性晶体相当于NgNm主轴面，双折率为NgNm。垂直Bxa切面的双折率大小介于0和最大双折率之间

17、。,D、垂直Bxo的切面：椭圆，正光性晶体相当于NgNm面；负光性晶体相当于NmNp面。双折率的大小也介于0和最大双折率之间。,晶体光学基础,无论是正光性或是负光性，垂直Bxa切面的双折率总是小于垂直Bxo切面的双折率。 B、C、D三种切面都是二轴晶光率体的主轴面，属于垂直光率体主轴的切面。,E、斜交切面：是指既不垂直光轴，也不垂直主轴的切面，有无数个，都是椭圆，但非主轴面。 斜交切面又可以分为两种类型： 垂直于主轴面的斜交切面，称半任意切面，其椭圆半径中总有一个为主轴，另一个为Ng或Np。,晶体光学基础,任意斜交切面，椭圆长短半径分别为Ng和Np。,晶体光学基础,0、均质体矿物晶体的光性方位

18、,均质体矿物的光率体是圆球体，通过圆球体中心的任何三个相互垂直的直径都可与等轴晶系的三个结晶轴相当。,第三节 光率体在晶体中的位置-光性方位,光性方位光率体的主轴与晶体结晶轴之间的关系称为。,即光率体在晶体中的位置，矿物所属晶系不同，则光性方位也不同。,1 、一轴晶(中级晶族晶体)光率体的光性方位 一轴晶（三方、四方、六方中级晶族）光率体为旋转椭球体， 其旋转轴（光轴）与晶体的 c轴（高次对称轴）一致，光率体中心与晶体中心重合。,2. 二轴晶（低级晶族）光率体的光性方位,堇青石的光性方位,斜方晶系 二轴晶光率体的对称要素为3L23PC，与斜方晶系晶体的最高对称型相当，因此斜方晶系光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴一