有色冰洲石晶体热处理褪色及其光学性质的研究.doc

分类号：O436.3学校单位代码：10446硕 士 学 位 论 文论文题目：有色冰洲石晶体热处理褪色及其光学性质的研究研 究 生 姓 名 ： 亓 欣学 科、专 业： 光 学研 究 方 向 ： 偏光技术与器件导师姓名、职称： 吴福全 教授论文完成时间： 2012年 3月 曲阜师范大学研究生学位论文原创性说明（根据学位论文类型相应地在“”划“”） 本人郑重声明：此处所提交的博士/硕士论文有色冰洲石晶体热处理褪色及其光学性质的研究，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士/硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 曲阜师范大学研究生学位论文使用授权书（根据学位论文类型相应地在“”划“”）有色冰洲石晶体热处理褪色及其光学性质的研究系本人在曲阜师范大学攻读博士/硕士学位期间，在导师指导下完成的博士/硕士学位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 摘要第 1页摘 要冰洲石晶体是制作棱镜偏光器件的贵重材料，在偏光技术应用的各个领域发挥着重要的作用。目前，由于冰洲石的来源主要靠天然产出，替代品并不能完全代替冰洲石，人工合成技术尚未达到工业应用标准等原因造成了冰洲石晶体的价格昂贵。为充分利用现有的冰洲石资源，本文通过热处理的方法对黄色和紫色冰洲石晶体的颜色进行了改善。全文包括五章：第1章绪论，主要介绍冰洲石晶体的应用概况，给出了本课题的研究现状和研究意义，并对本论文的工作进行了说明。第2章冰洲石晶体的光学性质及其应用，主要对冰洲石晶体的透过率、双折射率和起偏性能，以及这些光学性质的应用进行了介绍，并简要介绍了冰洲石晶体的人工合成。第3章有色冰洲石晶体的呈色机理，主要对有色冰洲石晶体的呈色原因进行了较为系统的介绍，简单总结了天然黄色和紫色冰洲石晶体的呈色原因，即对光的选择性吸收。第4章有色冰洲石晶体热处理褪色实验。设计实验方案，利用 ZDXS2-10-1000箱式电阻炉对不同深浅、不同大小的黄色和紫色冰洲石晶体进行了热处理褪色实验，并确定了有效的褪色条件。第5章有色冰洲石晶体热处理褪色前后光学性能的研究。选取天然的黄色和紫色冰洲石晶体进行相应的样品加工，其中实验组和参照组均取自同一块晶体。设计实验方案，分别对热处理前后黄色和紫色冰洲石晶体的透射光谱、消光比和主折射率进行了测量，并对测量结果进行了分析总结。论文的第4章和第5章是本论文和核心部分，以实验探究为主，也是本工作的创新点。主要结论概括起来主要有以下几点：1 通过大量实验，我们发现，黄色和紫色冰洲石晶体在加热到一定温度时颜色会发生变化，在恒温4小时的情况下，其有效完全褪色温度分别为390和470。2 通过对热处理褪色前后冰洲石晶体进行透射光谱测试表明：热处理褪色后的冰洲石晶体在紫外可见光波段的透光范围有明显的拓宽。同时进一步验证了，黄色和紫色冰洲石晶体的呈色原因分别是：对蓝紫区波段光的吸收和黄绿区波段光的选择性吸收。3 通过对热处理前后冰洲石晶体消光比和主折射率的测量表明：热处理褪色未对冰洲石晶体的消光比和折射率产生明显的影响。热处理褪色后的冰洲石晶体外观完好，透过率、偏光性和双折射率三大光学性质完全符合它在工业上的应用要求，冰洲石的颜色改善取得了明显的效果。通过热处理褪色而尽可能的利用现有冰洲石资源的方法是可行的。关键词：偏振光学；冰洲石晶体；热处理；褪色；透过率；消光比；折射率 摘要第 2页AbstractIceland spar crystals which play an important role in various areas of the polarizingtechnology are precious materials for the production of polarized prisms devices. Presently,Iceland spar crystals are expensive, and there are three reasons for this. The sources of it mainlydepend on the natural output, the alternatives cant replace it completely, and the synthetictechnology of it has not reach the industrial application standards. In order to take full advantageof the existing sources of Iceland spar, in this paper, we heat the yellow and purple Iceland sparsto remove their colors.This paper includes five sections.In the first chapter, the main application of Iceland spar and the statues and significance ofthis topic are introduced. In addition, the main work of this thesis is described.In the second part, we introduce the optical properties of Iceland spar crystal, which includetransmission, refractive indices and function of polarization, and its application. We also simplyintroduce the synthesis of Iceland spar crystal.The third chapter, we introduce the color origin of colored Iceland spar crystal. At the sametime, we give a brief summary of the coloring reasons of natural calcite crystal, which isabsorbing the light selectively.In the fourth section, we design the experimental program, which try to heat yellow andpurple calcite crystals to remove there colors in ZDXS2-10-1000 box furnace. The yellow andpurple crystals are with different shades and different sizes. We determine the effective fadingconditions of the yellow and purple crystal through the experiments of this part.The last part is the most important one in this paper. In this part, we select natural yellowand purple calcite crystals to execute sample processing. The experimental group and thereference group were taken from the same piece of the crystal. We measure the optical propertiesof yellow and purple crystals before and after heat treatment. The optical properties includetransmitted spectrum, extinction and refractive indices. We also analyze the measurement resultsand give some conclusion.On the basis of a lot experiments, the last two chapters are not only the core part, but alsothe innovation part of the work, which can be listed as follows:Firstly, through a lot of experiments, we found that the yellow and purple calcite crystalschange color when they are heated to a certain temperature. The effective fading conditions were390 and 470 respectively ,in circumstances that keeping that temperature for four 4 hours.Secondly, the measurement results of transmitted spectrums show that the range ofUV-visible light broadens significantly after heat treatment. Simultaneously we verify that thecoloring reasons of yellow and purple calcite crystal are the selective absorption of blue-violet 摘要第 3页band and yellow-green-band light respectively.Thirdly, the measurement results of extinction ratio and birefringence show that the heatingfade has no effect on these two optical properties of calcite crystals.The courses of the enhancement dont damage calcite crystal. The samples physicalproperties, including transmission, extinction and birefringence, are fully in line with theirindustrial standards after heating. The experiment is successful. The method to remove the colorthrough heating and make the best use of calcite resources we have is feasible.Keyword: polarized optics; calcite crystal; heating; fade; transmission; extinction; birefringence; 目录第 1页目 录第1章 绪论 1第2章 冰洲石晶体的光学性质及其应用 32.1冰洲石晶体的光学性质 32.1.1冰洲石晶体简介 32.1.2冰洲石晶体的化学成分 32.1.3冰洲石晶体的光学性质 42.1.4冰洲石晶体的其他性质 62.2冰洲石晶体光学性质的应用 62.2.1冰洲石晶体的工业应用标准 62.2.2冰洲石晶体光学性质的应用 72.3冰洲石的合成 10第3章 有色冰洲石晶体的呈色机理 113.1矿物的呈色机理 113.1.1传统矿物颜色研究理论 113.1.2现代矿物颜色研究理论 113.2有色冰洲石晶体的呈色机理探讨 143.2.1有色冰洲石晶体的化学成分 143.2.2黄色和紫色冰洲石的呈色机理 153.3本章小结 16第4章有色冰洲石晶体热处理褪色实验 174.1实验设备ZDXS2-10-1000箱式电阻炉 174.2 有色冰洲石晶体有效褪色条件研究 174.2.1 黄色冰洲石晶体有色褪色条件研究 174.2.2 紫色冰洲石晶体有效褪色条件研究 204.3本章小结 21第5章 有色冰洲石晶体热处理褪色前后光学性能的研究 225.1 热处理褪色和材料加工 225.1.1样品初加工 225.1.2样品热处理褪色 225.1.3样品抛光 235.1.4样品切割后抛光 235.2透射光谱 235.2.1实验设备岛津UV-3101PC分光光度计 235.2.2测量装置和方法 255.2.3实验结果和分析 265.3消光比 335.3.1测量原理和装置 335.3.2测量方法和步骤 345.3.3实验结果和分析 34 目 录第 2页5.4主折射率 345.4.1测量原理和方法 345.4.2测量装置和方法 355.4.3测量结果和分析 355.5结论 36参考文献 37在校期间发表的学术论文 39致 谢 40 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 1页第1章 绪论冰洲石晶体是一种无色透明的天然矿物，具有高的透过率、大的双折射率以及良好的偏光性三大光学特性，为其他矿物所不及。冰洲石晶体的应用正是基于其固有的这三大光学特性。冰洲石晶体是制作棱镜偏光器件1及其他光学器件的重要材料。现已查明，具有双折射性质的晶体多达600余种23，但能直接用于制作棱镜偏光器件的不足10种，主要是因为偏光器件对晶体的要求比较严格，一般应满足如下的条件：在使用的光谱区内有理想的最大双折射率，双折射率均匀；透明度高，无光学级要求的缺陷（如包裹体、裂隙、双晶等缺陷都应该控制在指标以内）；物化性能稳定，容易获得需要的尺寸，不易潮解，易于加工，抗损伤阈值高。基于其他光学材料所不及的三大光学特性，冰洲石晶体得到了广泛的应用4。但是冰洲石晶体的价格却很昂贵，主要有以下几方面决定：一、符合工业应用标准的产量低。目前，冰洲石晶体的市场供应主要靠天然产出的冰洲石矿产。冰洲石的硬度低，但是工业上对冰洲石的要求却很高，开采时要保证冰洲石晶体的完整与无内部缺陷，这些都决定了冰洲石的开采难度。虽然全世界各地都有冰洲石的产出，但矿床中产出晶体中完好的冰洲石很少，而且没有缺陷的冰洲石又常常带有各种颜色的色调，这就很大地限制了冰洲石在工业上的应用。二、替代品不能完全代替冰洲石。人们一直试图用别的代用品来代替冰洲石，虽然有一定的效果，但是这些代用品总是有某些缺陷，不能完全代替冰洲石。三、人工合成未有显著进展。虽然近年来国内外的学者都在积极地寻找实验合成冰洲石的方法，但都没有找到合成完整而且大块的冰洲石晶体的方法，因此还不能作为光学冰洲石市场资源的一部分。以上种种原因造成了工业可用冰洲石价格高的现象。因此，就现阶段而言，为充分利用现有的冰洲石资源，就应该对冰洲石进行人工处理，充分利用那些不含包裹体、裂隙、但带有某种颜色的冰洲石，把其颜色褪去，使其达到工业应用的标准。查阅资料发现，目前，国外未发现有相关的实验，但是有对矿物呈色机理的探讨16。国内方面，20 世纪 80 年代，曹俊臣等通过水热法对贵州黄色冰洲石进行褪色5，但其实验样品不全面，实验周期太长，不利于工业上大量生产；2001年罗跃平6等对冰洲石的矿物学特征及其褪色实验进行了研究，但在实验的参照组的设置上存在一定缺陷，对光学性质的研究不够全面。结合本所对冰洲石晶体的实际应用情况和相关的实验条件，本论文主要从以下几个方面展开工作：一、查阅相关资料，了解冰洲石晶体的应用和可能的呈色原因。二、通过大量实验，对天然的不同深浅的黄色和紫色冰洲石晶体的热处理褪色条件进 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 2页行了探究。三、设计实验方案，对黄色和紫色冰洲石晶体热处理褪色前后透射光谱、消光比以及主折射率进行了测量。四、分析相关实验结果，对有色冰洲石晶体的褪色原因和褪色后的可应用性进行了分析。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 3页第2章 冰洲石晶体的光学性质及其应用2.1冰洲石晶体的光学性质2.1.1冰洲石晶体简介严格意义上来说，冰洲石晶体和方解石是不同的。方解石是一种分布很广的天然碳酸盐矿物，其晶体形态多种多样；冰洲石是一种光学级的方解石的，所以一般称光学方解石为冰洲石。无色透明的冰洲石称为冰洲石晶体。冰洲石晶体属于三方晶系，通常呈菱面体晶形，共有六个晶面，每个晶面均呈菱形，菱形的钝角为 10155，锐角为 78057，如图2.1 所示。冰洲石的菱面解理发育，一面呈菱形，一面呈平行四边形。对于自然解理状态下的冰洲石晶体来说，它有两个相等的三面钝角（10155）所组成的钝隅，由实验知，从任何一钝隅所作的面等分角线便是它的光轴方向。当冰洲石晶体的各条边等长时，钝隅的面等分角线也就是相对的两个钝隅之间的连线，平行于该连线方向的任何直线都是晶体的光轴。光轴图 2.1 冰洲石晶体的光轴方向101552.1.2冰洲石晶体的化学成分冰洲石晶体的主要化学成分是碳酸钙（ CaCO3）。理想的冰洲石晶体含 56%的CaO，含44%的CO2。表2-1所示的是冰洲石晶体的主要化学成分。在天然的冰洲石晶体中，往往含有Mg，Fe和Mn的类质同象混入物，有时也含有 Pb、Zn、Sr和 Ba的类质同象混入物。冰洲石的杂质离子的含量非常少，CaO含量一般在55.5%，这就说明了这种矿物是相当纯洁的。由于类质同象混入物的阳离子与钙离子有很大的差别，所以类质同象的现象表现为一种稳定的CaCO3MgCO3。这是中间状态的混合晶体，而后来，这种晶体的镁又被等价的上述元素所代替。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 4页表 2-1冰洲石晶体的主要化学成分（wt%）氧化物SiO2I1I2无色0.0030.1200.0100.0300.1200.19055.2143.7999.470.0010.0100.0120.0800.1600.16054.9343.7199.100.0020.0020.0010.0010.0000.01455.7643.8099.57Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaOCO2总计数据引自邓世荣8，1958另外，2001年罗跃平在对冰洲石的微量元素的测定和分析的结果表明，在冰洲石中还含有微量元素Cu、 Ni、Co和各种稀土元素。2.1.3冰洲石晶体的光学性质冰洲石晶体是一轴晶，负光性。冰洲石晶体最主要的光学性能是：较高的透射率和较大的双折射率。（一）冰洲石晶体的透射率透射率是衡量晶体性质的重要指标之一。冰洲石晶体在光谱的可见部分有高度的透明性，在相当宽的波长范围内（0.33 m）具有很高的透光性能，350nm范围内的紫外线透过率可达 78%以上，740nm的透过率可达到 85%以上，在 200nm时不透光；冰洲石晶体的吸收系数在相当宽的波段内为零9。因而是制作棱镜式偏光器件的理想材料。（二）冰洲石晶体的双折射率折射率是晶体的重要光学参数，也是衡量晶体物理特性最基本的内容之一。双折射是绝大多数晶体（等轴晶系的晶体除外）的一个主要的光学性质。晶体的许多光学性质都和双折射有关。光在在匀质介质中传播时，光速不因传播方向的改变而改变，故匀质介质只具备一个折射率。但是光在像冰洲石晶体这样的非匀质介质中传播时，光速会因传播方向的不同而改变。自然光进入非匀质介质，原来是任意方向的振动，会变为两个振动方向互相垂直的光波，并且这两个互相垂直振动的光波，其传播速度除了个别特殊方向外，一般是不相等的。因此，当光入射到冰洲石晶体上时，就要产生两条折射光线，即双折射 4现象。人们最早就是在冰洲石中观察到双折射现象的。非匀质介质中有个别方向不产生双折射现象，当自然光沿此方向在其中传播时，不发生双折射现象，这个方向称为晶体光轴方向。如2.2所示，取一张洁净的白纸，纸上点一很小的黑点，然后把冰洲石的解理块盖在 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 5页小黑点上，覆盖时使冰洲石的菱面正对着观察者。此时我们看到的不是一个小黑点，而是两个小黑点；如果在纸面上转动冰洲石解理块，一小黑点永远固定不动，而另一小黑点则环绕前一小黑点转动。冰洲石晶体的各条边等长，阴影面为入射面，即入射光线和晶体光轴所组成的平面，入射面内沿对角线的黑色实线表示晶体光轴方向。固定的黑点（用O表示）与纸面上的画点重合，即它所对应的光线垂直透过冰洲石，它遵守一般的折射定律，被称为寻常光（o光）；移动的黑点（用E表示）偏离纸面上的点，即它所对应的光线斜向透过冰洲石，它不遵守一般的折射定律，被称为非常光（e光）。应当注意，这里所谓的o光与e光只在双折射晶体内部才有意义，射出晶体后，就无所谓o光和e光了。我们知道，真空中光速 c与媒质中光速 vo光e光之比等于媒质的折射率n，即n = c v。在冰洲石晶体中，o光服从折射定律，沿各个方向的传播速度是相同的，因此 no = c vo。但是e光不服从普通的折射定律，我们不能用一个折射率来反映它的折射规律，但是通常仍把真空光速c与e光沿垂直于光轴传播时的这个速度之比c ve称为它的主折射率ne。no和ne合称为晶体的主折射率。不同波长下冰洲石晶体的主折射率是不同的，如表2-2所示。OE光轴入射面图 2.2冰洲石双折射现象体视图表 2-2不同波长下冰洲石的主折射率1/mnone/mnone0.2110.2140.2310.2570.3030.3460.3940.4410.5080.5600.5890.6430.6560.6701.856921.845561.802331.760381.719591.698331.683741.674231.665271.660461.658351.655041.654371.653671.563271.550761.545411.530051.513651.504501.498101.493731.489561.487361.486401.484901.484591.484260.7060.7680.8010.8671.0421.0971.2291.3071.3961.4971.9091.9462.1723.3241.652071.649741.648691.646761.642761.641671.639261.637891.636371.634571.483531.482591.482161.481371.479851.479481.478701.478311.477891.477441.475731.626021.620991.47392 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 6页另外，不同温度下同一波长的折射率也有所不同， o光和e光的折射率温度系数随波长的变化也是不同的。李红霞、赵爽等曾对双折射晶体和器件的温度特性做过系统的研究1011，精确地求解出Sellmeier的各常数表达式，然后通过线性插值的方法得到不同波长的折射率温度系数，从而求出各个温度下不同波长所对应的折射率。2.1.4冰洲石晶体的其他性质冰洲石的比重为 2.7，莫氏硬度为 3。解离极完全，很容易从主菱面体或解理菱面体的平面裂开。断口面平坦、光滑，并带有玻璃光泽或珍珠光泽。冰洲石不易熔化，但在水和某些酸中（如盐酸）易溶解；晶体经灼烧会破裂，立即分解析出CO2。在大气压力下，它的分解温度约等于800。但在1个大气压下，其分解温度会上升至900。2.2冰洲石晶体光学性质的应用2.2.1冰洲石晶体的工业应用标准工业上对冰洲石晶体要求严格，晶体不允许存在裂隙、裂纹、交错纹、固态液态包裹体、深浅颜色、各种双晶、蒙罩和节瘤。主要理化指标有：CaCO3含量：99.90%（0.05%）。比重：2.68-2.72，通常以2.7计。硬度：2.90-3.10，通常以3.0计。透过率：红外线85%以上，紫外线78%以上（晶体厚3mm）。主要技术指标“六无”：无双晶：冰洲石为单轴晶体，没有双晶线。无颜色：为无色透明体，只允许带有微量黄、红、蓝、紫等色调。无裂纹：没有天然或人为的震裂痕迹。无云雾：不允许有像棉一样的白色雾状物。无气泡：没有细小水珠和液泡包裹体。无节瘤：没有影响偏光性能的节子和烂针。冰洲石按解理后的尺寸和质量要求，划分为七个技术等级12，详见表2-3。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 7页表 2-3冰洲石的技术等级级别 晶体规格（mm） 质量要求a.晶体纯净透明；特级 =555550b.允许晶体保留一个自然晶面（外壳）；c.晶体菱角8mm范围内允许有缺陷，钝角不允许有缺陷；1 =454545 d.晶体可用范围内允许有均匀浅色和肉眼可见的少量分散细小包裹体。a.晶体纯净透明；2 =404040b.允许晶体保留一个自然晶面（外壳）；3 =353535 c.晶体菱角5mm范围内允许有缺陷，钝角不允许有缺陷；d.晶体可用范围内允许有均匀浅色、轻微节瘤和肉眼可见的4 =303030少量分散细小包裹体。a.晶体纯净透明；5 =252525b.允许晶体保留一个自然晶面（外壳）；c.晶体菱角3mm范围内允许有缺陷，钝角不允许有缺陷；6 =202020 d.晶体可用范围内允许有均匀浅色、轻微节瘤和肉眼可见的少量分散细小包裹体。2.2.2冰洲石晶体光学性质的应用天然冰洲石晶体是制作棱镜型偏光器件的主要材料，这是单轴晶体双折射现象的具体应用。资料显示，现已查明有600余种晶体具有双折射性质，但是能够直接用于制作棱镜偏光器件的不足 10 种。这主要是因为，偏光器件对晶体的要求比较严格，一般应满足如下条件：在使用的光谱区内有理想的最大双折射率，且双折射率均匀；透明度高，无光学级要求的缺陷：裂隙、包裹体、双晶等缺陷都应控制在指标以内；物化性能稳定，易于加工，容易获得需要的尺寸，不易潮解；抗光损伤阈值高。由于冰洲石晶体在相当宽的波段内吸收系数趋近于零，透射比高，很好的满足了偏光器件对晶体的要求，因此冰洲石晶体是制作棱镜偏光器件的理想材料。利用该晶体制作成的棱镜偏光镜，可在 0.22 m 2.8 m光谱区使用，新设计的分波段使用偏光棱镜可达15m。棱镜型偏光器件的设计结构有很多种，目前国内外常用的多达几十种，其特点和用途各异，但大体上可以分为激光偏光镜和偏光分束镜两大类。（一）激光偏光镜 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 8页激光偏光镜的主要功能是起偏和检偏，它只输出一束平面偏振光，而另一束振动方向与之正交的平面偏振光被棱镜的一界面全反射。激光偏光镜主要有 Nicol 型和 Glan 型两种设计结构。Nicol 棱镜是最早问世的棱镜型偏光器件，光轴既不平行也不垂直于端面，它很好的利用了冰洲石晶体的自然解理面，可以达到节省原料的目的。但是这种特殊的结构使得尼科耳棱镜在使用上存在一些缺陷：光束对通光面非正入射，有一较大入射角，光的反射损失增加，且不便于调整；出射光相对于入射光有较大偏离，转动棱镜光束随之转动，使用不方便；用加拿大树胶胶合，抗损伤阈值较低不能用于强激光光路。尽管后来Nicol棱镜也有了多种改进形式，但是总体性能不及格兰型棱镜。所以目前的科研工作中已不再使用该类棱镜，但它的历史地位是其他偏光器件所不能代替的，它仍在高校的光学教学中发挥着重要的作用.图2.3所示的是Nicol棱镜的主截面结构和光路图。图 2.3 Nicol棱镜的主截面结构和光路图Glan型棱镜的光轴在入射端面内，这种结构要比相同孔径的Nicol棱镜耗费更多的冰洲石晶体，但是在光学性能上具有较大视场角和较小长度孔径比、出射光偏振分布均匀和横向偏移小、离轴漂移引起的像散小等特点。比较典型的Glan型棱镜主要有Glan-Thompson棱镜、Glan-Taylor棱镜、Lippich棱镜和Glan-Foucault棱镜。Glan型棱镜有空气隙型和胶合型两种结构，其中 Glan-Taylor 棱镜和 Glan-Foucault 棱镜是空气隙型的，Glan-Thompson棱镜和Lippich棱镜是胶合型的。图2.4给出了这四种棱镜的主截面结构及其光路图。（二）偏光分束镜偏光分束镜兼有起偏和分束两种功能。它是把一束非偏振光分解为振动方向相互正交的两束平面偏振光，并按一定的分束角同时输出。比较典型的设计有 Wollaston 棱镜、Rochon棱镜和Senarmont棱镜等。另外，随着激光技术的发展，为了满足激光调制技术的需要，研制出一些混合型棱镜偏光镜，如OE双输出棱镜，90分束偏光镜等。这些棱镜在Glan-Taylor棱镜的基础上,给在胶合界面上全反射的o光设计了输出界面，把原来反射掉的那一束平面偏振光利用起来，以满足激光调制技术的需要。由OE双输出棱镜出射的两线偏振光的夹角约为102，90分束偏光镜则为90。图2.5给出了几种典型的偏光分束镜的分束光路。其中OE双输出棱镜是空气隙型的，其他三种是胶合型的。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 9页(a)(b)(c)图 2.4典型的几种 Glan型起偏棱镜的主截面结构及其光路图(d)(a) Glan-Thompson棱镜(c) Lippich棱镜(b) Glan-Taylor棱镜(d) Glan-Foucault棱镜(a) (b) (d) (c) 图 2.5 几种偏光分束镜的主截面结构及其光路图(a) Rochon棱镜(c) Wollaston棱镜(b) Senarmontr棱镜(d) OE双输出棱镜 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 10页2.3冰洲石的合成冰洲石晶体是一种重要的光学材料，因此，多年来国内外有许多研究者对冰洲石晶体的合成做了大量的研究工作。例如 J.F.Nester 和 J.B.Schroder(1967) ， H.J.Nickl 和R.Henish(1976)，H.Wakita和S.Kinoshits(1985)曾在相对低的温度下生长方解石单晶（冰洲石）。此外，也有人采用凝胶法、助溶剂法、移带法和水热合成法来人工合成冰洲石晶体；而水热合成被认为是最有希望生长出适合光学应用的冰洲石晶体的方法，它与天然冰洲石在热液条件下形成是相符的6。一般来说，水热法合成有限制了 CO2的分解和能在溶液中生长出高质量的晶体两个优点。Ikornikova(1961,1962)曾尝试在氯化物溶液中进行方解石的水热合成实验，但他并未提供晶体生长的细节及生长晶体的质量； J.F.Balascio等和 D.R.Kinloch(1974)曾提出在K2CO3 与 氯 化 物 溶 液 中 进 行 冰 洲 石 的 水 热 合 成 实 验 ；Skinisch,Hirano(1987,1992,1993) Skinisch,Hirano（1987,1992,1993）进行了硝酸盐()（ NH4NO3）与Ca NH4 ，尤其是 NH4NO3溶液中冰洲石单晶的水热合成实验，据称可以2生长出适合光学应用的冰洲石单晶，但目前仍未见到可工业化生产的单晶。冰洲石的合成难度大，主要是由于其合成要求在相对开放的系统中进行，既要相继供给一定浓度、速度的成矿流体，同时又要求相应地排出CO2和残余的 H2O，而且在这一行为机制中要求对系统开放，既要减压，释放CO2和排出 H2O，又要求在释放CO2之前一瞬间稳压。冰洲石的合成应该是取得大量且高质量的光学冰洲石材料的重要方法，但是就现阶段来说，冰洲石原生矿床的采集和对冰洲石的改善仍然是工业用冰洲石的重要来源。 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 11页第3章 有色冰洲石晶体的呈色机理天然的冰洲石晶体常常会带有某些缺陷，带有颜色就是其中常见的一类缺陷。天然的冰洲石晶体有时并不是完全无色的，常带有黄色、茶色、玫瑰色，有时也带有天蓝色、淡紫色以及其他的一些颜色。有色冰洲石晶体的呈色机制到现在还没有完全弄清楚，并未形成较为系统的理论。查阅资料发现，其呈现颜色主要是由于天然的冰洲石晶体内部并不是纯净的，而是含有部分杂质，杂质离子以及色心缺陷的存在会造成对可见光的选择性吸收，这是到目前为止提出的有色冰洲石晶体呈色的主要原因。3.1矿物的呈色机理3.1.1传统矿物颜色研究理论在矿物学中，传统的将矿物的颜色分为自色、他色和假色三类13。自色是指矿物自身所固有的颜色，它的产生与矿物本身的化学成分和内部构造有关。对一种矿物来说，自色总是比较固定的。他色是指矿物因外来带色杂质的机械混入所染成的颜色。他色的具体颜色将随混入色素离子组分的不同而异，因此他色一般是不固定的。假色是指由于某些物理原因所引起的颜色。矿物本身的化学成分和内部构造，对这些物理过程的发生并没有直接的决定作用14。3.1.2现代矿物颜色研究理论现代颜色理论研究表明，对可见光波选择性吸收，是矿物呈现颜色的主要原因。可见光的光波波长约在 390nm 770nm之间，波长由长至短依次显示为：红-橙-黄-绿-青-蓝-紫等色，它们的混合色是白色。当白光照射到物体上时，会产生吸收、反射和透射等各种光学现象。如果光全部被物体吸收，物体为黑色；如果白光中所有波长的光被物体均匀吸收，则物体为灰色；若白光基本上不被吸收，则为无色或白色。如果物体只选择性的吸收某些波长的色光，而反射或透射另一些色光，则物体就会呈现颜色。表 3-1色素吸收光谱范围及其所显示颜色之间的对应关系15max/nm400435435480480490490500500560560580580595595605605705吸收光的颜色色素显示的颜色深度浅紫蓝黄绿黄绿蓝蓝绿绿橙红红紫紫黄绿黄蓝橙绿蓝蓝绿红深 曲阜师范大学硕士研究生毕业论文第 12页表3-1表示的是物体吸收光的颜色和被观察到的颜色之间的互补关系，例如，若物体对白光中的蓝光成分有较明显的吸收，则物体可能会呈现黄色。对同一种光吸收的强弱，会影响所呈现颜色的深浅。这种选择性吸收单色光的起因十分复杂，它与矿物的化学成分、晶体结构、杂质包裹体等有关。另外，反射、散射、干涉等物理光学作用也会影响物质的呈色。现代矿物颜色研究理论对传统的自色、他色和假色的理论进行了很好的解释，提出了矿物呈色的四种理论16，这些理论主要有：（一）晶体场理论1过渡金属阳离子内部电子跃迁这是含过渡金属离子矿物呈色的主要方式。过渡金属阳离子，也称色素离子，主要是过渡型金属元素（Ti,V ,Cr,Mn, Fe,Co, Ni,Cu）Tr和U 等元素由于过渡金属阳离子周围阴离子电荷组成的晶体场（静电场）的作用，使原来属于同一能级的d或f亚层发生分裂，使离子外层电子轨道重新排布，如果这时新形成的轨道能量差恰在可见光波范围内，为维持新的轨道状态就得吸收一定波长的可见光，从而使矿物呈现出颜色。在这过程中，电子是在一个离子内部的轨道间发生跃迁的，而不是从一个离子向另一个离子跃迁的，因此称为离子内部电子跃迁。在矿物中，进入晶格的色素离子才能使矿物致色。这些离子进人晶格内部，有的是矿物的主要构成元素，有的是类质同象“杂质”，代替部分阳离子。不论是那种情况，所涉及到的色素离子内部电子跃迁的呈色机理是相同的。表 3-2给出的是部分常见的色素离子以及呈现的颜色和常见的矿物的对应关系。同一色素离子在不同的矿物中可能会产生不同的颜色，这与色素离子在矿物中的组分以及矿物的结