晶体光学基础与单偏光系统

1、 1.1.晶体光学晶体光学 康维国等，晶体光学.长春: 东北师范大学出版社,1993 2.2.光性矿物学光性矿物学 常丽华, 陈曼云等.透明矿物薄片鉴定手册.北京: 地质出版社,2006 北京大学地质系.光性矿物学.北京:地质出版社1979. 3. 3. 岩石学岩石学 路凤香，桑隆康 主编. 岩石学. 北京：地质出版社，2001 林景仟 主编. 火成岩岩类学与岩理学. 北京：地质出版社，1995 姜在兴 主编. 沉积学. 石油工业出版社，2003 贺同兴, 李树勋等. 变质岩岩石学. 北京: 地质出版社，1988 必备参考书必备参考书 晶体光学是借助偏光显微镜偏光显微镜来研究可见光通过透明矿物

2、晶透明矿物晶 体体所产生的光学现象光学现象（颜色、折射、双折射、干涉等）及 其规律的一门科学。 教学参考书教学参考书 康维国，梁万通，刘亚琴康维国，梁万通，刘亚琴. 晶体光学晶体光学. 长春长春: 东北师范大学出版东北师范大学出版 社，社，1993. 李德惠. 晶体光学. 北京: 地质出版社，1984 北京大学地质学系岩矿室. 光性矿物. 北京: 地质出版社, 1979 孟庆丽孟庆丽. 光性矿物学简明教程光性矿物学简明教程. 北京北京: 地质出版社地质出版社, 1985 长春地质学院实验中心. 透明矿物薄片鉴定(二). 校内教材, 1975 6 常丽华，陈曼云等常丽华，陈曼云等. 透明矿物薄片

3、鉴定手册透明矿物薄片鉴定手册.北京北京: 地质出版社地质出版社, 2006 第一章第一章 晶体光学基础晶体光学基础 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 第二节第二节 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 第三节第三节 光率体光率体 第四节第四节 光性方位光性方位 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 光光( (波波) )具有具有“波粒波粒”两相性两相性 晶体光学主要利用的是光的波动理论. 光光( (波波) )是一种电磁波是一种电磁波 电磁波谱中频率较高,波长范围较短(390770nm)的 一个区段,由波长不同的七色光组成. 光光( (波波) )是一种横波是一种横波 光的传播方向与振动方向互相

4、垂直。晶体中许多光 学现象都与光波是横波这一特征有关. 10-1 1 10 103 105 107 109 1012 1015 10-5 波长（波长（n m） 射线射线 射线射线 紫外线紫外线 可见光可见光 红外线红外线 短无线电波短无线电波 广播波段广播波段 长无线电波长无线电波 可可 见见 光光 放放 大大 红红 橙橙 黄黄 绿绿 蓝蓝 靛靛 紫紫 390（n m） 430 460 500 570 590 650 770 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 自然光和偏振光自然光和偏振光 自然光自然光: 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. 偏振光偏振光： 在

5、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。偏振化。 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 自然光和偏振光特点示意图自然光和偏振光特点示意图 自然光自然光 振动面振动面 偏振光偏振光 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 光的折射与介质的折射率光的折射与介质的折射率 N 1-2 ： ： 第二介质对第一介质的相折率。 若第一介质为真空若第一介质为真空，则N 1-2 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。 = N 1- -2 Sin Sin VB VA NA NB

6、 = = = M VA 玻璃块B NB=2.00 空气A NA=1.00 N O P P VB 第一节第一节 光的基本性质光的基本性质 全反射与全反射临界角全反射与全反射临界角 = N 1- -2 Sin Sin VB VA NA NB = = = 根据可知 当光波从光密介质光密介质入射到光疏介质光疏介质时, 入射角总是小于 折射角 , 当 = 90 0 时, = , 此时入射角称为全全 反射临界角反射临界角. . 当入射角 时, 折射光波不再进入折射介质而全部返回 到入射介质, 这种能量的突变称为全反射全反射. 空气空气B NB=2.00 a bc O ABC DE d e 玻璃块玻璃块A

7、NA=2.00 9090 全反射与临界角示意图全反射与临界角示意图 第二节第二节 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 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 光性均质体光性均质体 特点：特点：光学性质各方向相同（各向同性）。 包括：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在均质体中的传播特点: 光波的传播速度不因振动方向振动方向 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振动方向 不同而发生改变. 即均质体折射率值只有一个。均质体折射率值只有一个。 光 波 在 均 质 体 中 传 播 示 意 图光 波

8、在 均 质 体 中 传 播 示 意 图 A-A-自然光自然光B-B-偏光偏光 第二节第二节 光在晶体中的传播光在晶体中的传播 光性非均质体光性非均质体 特点：特点：光学性质因方向不同而改变。 包括：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：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振动方向不同而改变。 即非均质体的折射率值有许多个。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相关术语解释见下页 光波射

9、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双折射是非均质介质 的普遍特征的普遍特征. 光通过非均质体分解成二束偏光示意图光通过非均质体分解成二束偏光示意图 双折射双折射 C 两种偏光折射率值之差称为双折射率. 双折射率双折射率 光光 轴轴 光波沿非均质体的特殊方向特殊方向入射时，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，称为一轴晶矿一轴晶矿 物物；低级晶族具有两个这样的特殊方向，称为二轴二轴 晶矿物晶矿物。 第三节第三节 光率体光率体 1. 光率体的由来光率体的由来 晶体光

10、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. 光率体的概念光率体的概念 表示光波在晶体中传播时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。种立体几何图形或一种光性指示体。 3. 光率体的作法光率体的作法: 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. 第三节第三节 光率体光率体 4. 均质体光率体均质体光率体 传播速度不因振动方向 不同而发生改变, 即折 射率

11、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. 第三节第三节 光率体光率体 5. 一轴晶光率体一轴晶光率体 5.1 推导推导 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。 第三节第三节 光率体光率体 5. 一轴晶光率体一轴晶光率体 5.2 主要特征主要特征 （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

12、折射率值，称为主折射主折射 率率。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最大双折射率。 （4）若 Ne No，称为正光性正光性 ；若NeNo, 称为负光性 负光性 。 第三节第三节 光率体光率体 5. 一轴晶光率体一轴晶光率体 5.2 主要切面类型及特征主要切面类型及特征 （1）垂直光轴切面）垂直光轴切面 （2）平行光轴切面）平行光轴切面 （3）斜交光轴切面）斜交光轴切面 各个切面特征见图示 各个切面特征见图示 Ne No 入射光方向入射光方向 No No No Ne No No 入射光方向入射光方向 No Ne No No No N/e

13、 入射光方向入射光方向 N/e Ne No No 一 轴 晶 正 光 性 光 率 体 主 要 切 面 示 意 图一 轴 晶 正 光 性 光 率 体 主 要 切 面 示 意 图 (1)(1)垂直光轴切面垂直光轴切面 (2)(2)平行光轴切面平行光轴切面 (3)(3)斜交光轴切面斜交光轴切面 6. 二轴晶光率体二轴晶光率体 1.651 1.715 b=Np c a=Ng c 1.680 1.651 a c=Nm b=Np a 1.680 1.715 b a=Ng c=Nm b Ng（a） Np （b） Nm（c） 第三节第三节 光率体光率体 6.1 推导（略）推导（略） 第三节第三节 光率体光率体

14、 6. 二轴晶光率体二轴晶光率体 (1) (1) 三轴不等的椭球体。三轴不等的椭球体。 (2)(2) 三个光学主轴三个光学主轴（Ng、Nm、Np轴）。 (3)(3) NgNg、NmNm、NpNp（三个主折射率且 Ng Nm Np）。 (4)(4) 三个主轴面三个主轴面(彼此之间互相垂直)。 (5) (5) 两根光轴两根光轴(OA)(OA)。 6.2 主要特征（要素）主要特征（要素） 6. 二轴晶光率体二轴晶光率体 6.3 相关术语相关术语 第三节第三节 光率体光率体 (6) 光轴面（光轴面（AP）：）：包含两根光轴的切面。同NgNp面。 (7) 光轴角光轴角(2V)：两根光轴所夹的锐角。 (8

15、) 锐角等分线锐角等分线(Bxa)：两光轴所夹锐角的等分线。 (9) 钝角等分线钝角等分线(Bxo)：两光轴所夹钝角的等分线。 (10) 光性正负光性正负: (+) Ng-Nm Nm-Np或 Bxa = Ng (-) Ng-Nm Nm-Np或 Bxo = Ng 6. 二轴晶光率体二轴晶光率体 6.4 主要切面类型及特征主要切面类型及特征 第三节第三节 光率体光率体 (1)垂直光轴切面垂直光轴切面 （ OA） (2) 平行光轴面切面（平行光轴面切面（/AP） (3) 垂直垂直Bxa切面：（切面：（+）NmNp面面 （）（）NgNm面 面 (4) 垂直垂直Bxo切面：（切面：（+）NgNm面面 （

16、）（）NmNp面 面 (5) 斜交切面：斜交切面：NgNp面面 各个切面特征见图示各个切面特征见图示 Nm Nm Ng Np Nm Nm NgNp Ng NgNg=BxaNp=Bxa OA Nm NpNp OA OAOA OA OA OA OA Nm Np Nm Ng OA切面切面AP切面切面Bxa（+）切面）切面Bxa（）切面）切面 Nm Nm Nm Nm Ng Np Nm Nm Ng Np Ng NgNg Ng Ng Ng NpNp Np Nm Nm Np Np Ng Bxo（+）切面）切面 Bxo（）切面）切面AP的斜交（的斜交（+）任意斜交（任意斜交（+） 指光率体在晶体中的位置，即光

17、率体主轴（指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（NoNo、NeNe轴或轴或NgNg、 NmNm、NpNp轴）与结晶轴（轴）与结晶轴（a a、b b、c c轴）之间的相互关系轴）之间的相互关系. . 第四节第四节 光性方位光性方位 1.1.高级晶族：高级晶族：可不考虑其光性方位问题. 2.2.中级晶族（一轴晶）：中级晶族（一轴晶）：结晶轴C轴与光轴Ne轴一致。 3.3.低级晶族（二轴晶）：低级晶族（二轴晶）： （1）斜方晶系（三个主轴分别平行结晶轴） （2）单斜晶系（晶体的b轴与三个主轴之一平行） （3）三斜晶系（三个主轴与三个结晶轴均斜交） 中级晶族中级晶族光性方位示意图光性方位示意图 结晶轴

18、结晶轴C C轴与光轴轴与光轴NeNe轴一致轴一致 斜方晶系斜方晶系( (左左) )单斜晶系单斜晶系( (右右) )光性方位示意图光性方位示意图 三个主轴与三个结晶轴重合三个主轴与三个结晶轴重合 结晶轴结晶轴b b与三个主轴之一重合与三个主轴之一重合 三个主轴与三三个主轴与三 个结晶轴斜交个结晶轴斜交 三斜晶系三斜晶系光性方位示意图光性方位示意图 第二章第二章 偏光显微镜偏光显微镜 一一. 偏光显微镜的构成偏光显微镜的构成 . . . (7). 上,下锁光圈: 控制光的通过量. 一一. 偏光显微镜的构成偏光显微镜的构成 (二二). 光学系统主要部件光学系统主要部件 . 倍数分为三类: 高倍镜高倍

19、镜 40 100 中倍镜中倍镜 10 20 低倍镜低倍镜 2.5 4 有关术语有关术语:前透镜前透镜,后透镜后透镜,孔径角孔径角,数值孔径数值孔径 一一. 偏光显微镜的构成偏光显微镜的构成 (二二). 光学系统主要部件光学系统主要部件 , 与聚光镜和高被镜配合使用. 二二. .偏光显微镜的调节与校正偏光显微镜的调节与校正 (1). 选择并装配物镜和目镜选择并装配物镜和目镜. (2). 焦准焦准. (3). 物镜中心的校正物镜中心的校正. (4).下偏光镜的检查下偏光镜的检查. (5).上偏光镜的检查上偏光镜的检查 第三章第三章 单偏光系统下单偏光系统下 晶体的光学性质晶体的光学性质 单偏光系统

20、的构成单偏光系统的构成 在只使用下偏光镜(起偏镜)的情下， 观察和测定矿物的光学性质的系统。 单偏光系统的光路图单偏光系统的光路图 (附图说明） 单偏光系统光波通过晶体的光路图单偏光系统光波通过晶体的光路图 其它切面其它切面: PP与晶体光与晶体光 率体椭圆半径之一平行率体椭圆半径之一平行 均质体或非均质均质体或非均质 体垂直光轴切面体垂直光轴切面 下偏光镜 P P 下偏光镜 晶体切片 P P 下偏光镜 晶体切片 P P 晶体切片 下偏光镜 其它切面其它切面: PP与晶体与晶体 光率体椭圆半径斜交光率体椭圆半径斜交 主要内容主要内容 矿物的直观（外表）特征矿物的直观（外表）特征 （形态、解理等

21、） 与矿物吸收性有关的光学性质与矿物吸收性有关的光学性质: （颜色、多色性、吸收性等） 与矿物折射率有关的光学性质与矿物折射率有关的光学性质 （突起、闪突起、 糙面、边缘、贝克 线、色散线等） 一一. 矿物的形态矿物的形态 (1) (1) 控制因素：控制因素： 矿物成分,内部结构,物化条件,晶出顺序. . (2) (2) 观察内容：观察内容： a.自形程度：自形晶,半自形晶,它形晶. b.单体形态：粒状,针状,板（条）状、柱状、片状 c.集合体形态：纤维状,放射状,球粒状,网状,交生状, 雏晶状 (3) (3) 观察方法观察方法 综合不同切面特征,正确判断矿物的单体形态 一一. 矿物的形态矿物

22、的形态 同一单体不同切面形态示意图同一单体不同切面形态示意图 二二. 解理及解理夹角解理及解理夹角 解理在薄片中的表现形式解理在薄片中的表现形式 沿一定的方向平行排列的细缝(解理缝)。缝中为树树 胶所充填胶所充填，因矿物的折射率与树胶不同而使解理缝 得以显现。 解理等级的划分解理等级的划分 (1) 极完全解理：解理缝细而密集,贯穿整个晶体。 (2) 完全解理：解理缝清楚，缝较稀，不完全贯穿晶体。 (3) 不完全解理：解理缝宽而稀疏,不清楚,断续通过晶 注意解理与矿物裂纹的区别注意解理与矿物裂纹的区别 二二. 解理及解理夹角解理及解理夹角 影响解理缝清晰程度的因素影响解理缝清晰程度的因素 (1)

23、矿物解理的完善程度。 (2)切片的方向。 (3)矿物折射率和加拿大 树胶折射率差值。该 差值决定了解理缝的 可见临界角。 a b a 解理缝宽度与切片方向变化示意图解理缝宽度与切片方向变化示意图 判断解理等级和组数时判断解理等级和组数时, 注意综合观察多种切片注意综合观察多种切片. 二二. 解理及解理夹角解理及解理夹角 解理夹角的测定解理夹角的测定 1、切片方向的选择、切片方向的选择 A C B D E H F G K =60 60 60 选择同时垂直两组解理面的切片。选择同时垂直两组解理面的切片。 特征特征是两组解理缝最细最清楚，当 解理缝平行目镜十字丝时，微微升 降镜筒，两组解理缝不左右移

24、动。 二二. 解理及解理夹角解理及解理夹角 解理夹角的测定解理夹角的测定 2、解理夹角的测定步骤、解理夹角的测定步骤 （1）选择颗粒，置于视域心； （2）转动物台使一组解理缝平行目镜十字丝纵丝 (图A)，读取此时载物台刻度盘上的度数a； （3）再转动物台，使另一组解理缝平行目镜十字 丝纵丝，读取此时载物台刻度盘上的度数b； (图B), a与b之差即为所测解理夹角。 二二. 解理及解理夹角解理及解理夹角 解理夹角的测定解理夹角的测定 2、解理夹角的测定步骤、解理夹角的测定步骤 图图A A 图图B B 解理夹角的测定步骤示意图解理夹角的测定步骤示意图 三三. . 颜色、多色性和吸收性颜色、多色性和

25、吸收性 颜色颜色: 指在单偏光镜下，白光透过晶体后所呈现出来的颜色。 矿物的颜色是晶体矿物对不同色光选择性吸收的结 果，是未被晶体吸收的部分色光的混合色（服从互 补色原则）。 注意注意: :薄片中的颜色与手标本颜色的区别薄片中的颜色与手标本颜色的区别 三三. . 颜色、多色性和吸收性颜色、多色性和吸收性 多色性和吸收性多色性和吸收性 现象现象:在单偏光镜下，某些非均质体矿物的颜色随物 台转动而发生变化，这种现象称为多色性多色性。颜色深 浅的变化成为吸收性吸收性。 成因成因:非均质体矿物非垂直光轴切片，各方向的光学 性质不同，对光波的选择性吸收及吸收总强度也随 方向而变化。 三三. . 颜色、多

26、色性和吸收性颜色、多色性和吸收性 多色性和吸收性多色性和吸收性 表达方式：表达方式：多色性公式多色性公式 A A 和吸收性公式和吸收性公式 B B （图示）（图示） A:A: Ne= ?(浅紫色) No=?(深蓝色)或 Ng=? Nm=? Np=? B:B: Ne No(正吸收)或 Ng Nm Np(正吸收)。 影响因素：影响因素：矿物本身性质、切片方向、薄片厚度。 No Ne PP No Ne PP No Ne PP PP Ne No No PP No Ne Ne PP Ne No NoNe 多色性公式多色性公式:, Ne = 浅紫色浅紫色, No = 深蓝色；深蓝色； 吸收性公式吸收性公式: No Ne 电气石平行电气石平行Z Z轴切面的多色性和吸收性示意图轴切面的多色性和吸收性示意图 A: Ne平行平行PPB: No平行平行PP C: Ne,No斜交斜交PP 四四. .与矿物折射率有关的光学性质与矿物折射率有关的光学性质 边缘、贝克线、糙面、突起、闪突起边缘、贝克线、糙面、突起、闪突起 1 1、突起、突起 （1 1）表现形式）表现形式: : 在薄片中观察矿物时，不同矿物的表面有高低不 平 的感觉，这种现象称为突起。 （2 2）产生原因）产生原因: : 不同矿物的折射率与树胶的折射率的差值不同， 像点的位置就会