4-吸收性晶体光学基本原理

1、第四讲第四讲吸收性晶体光学基本原理吸收性晶体光学基本原理内容提要： 光的基本性质光的基本性质 偏振光的类型偏振光的类型 吸收性和吸收性晶体吸收性和吸收性晶体 吸收性晶体复数光性指示体吸收性晶体复数光性指示体 1 1、光的波动性：、光的波动性： 光是一种横波光是一种横波即质点振动与传播方向垂直即质点振动与传播方向垂直一、光的基本性质一、光的基本性质表征光的波动性：波长表征光的波动性：波长( ( ) )、频率、频率( ( ) ) 周期周期(T)(T)、光速、光速(C)(C)、振幅、振幅(E) (E) 光强光强(I)(I)、 相位差相位差( () )、相位、相位( ( ) ) 折射、反射、干涉、偏振

2、折射、反射、干涉、偏振 * * 相位差相位差 2 2 1 1 指同一光路两振动相互垂直光波，在任一指同一光路两振动相互垂直光波，在任一时刻相对应振动质点的相位之差时刻相对应振动质点的相位之差光的基本性质光的基本性质光的基本性质光的基本性质光的基本性质光的基本性质 2 2、光的电磁性、光的电磁性 光由具一定能量和动量的光子组成光由具一定能量和动量的光子组成 光表现为具有一定能量和动量的粒子流光表现为具有一定能量和动量的粒子流这些粒子即光子或光量子这些粒子即光子或光量子光的基本性质光的基本性质 光是电磁波中的一部分光的基本性质光的基本性质 3 3、光的反射和折射、光的反射和折射 自然光照射到矿物晶

3、体表面，被反射和自然光照射到矿物晶体表面，被反射和折射分解时，反射光或折射光均为某一方折射分解时，反射光或折射光均为某一方向振动占优势的部分偏振光，两互相垂直向振动占优势的部分偏振光，两互相垂直的偏振光存在相位差。的偏振光存在相位差。光的基本性质光的基本性质 当反射光全部为垂直入射面的光振动，当反射光全部为垂直入射面的光振动，角叫起偏角，反射光与折射光正好成角叫起偏角，反射光与折射光正好成9090 光的基本性质光的基本性质 反射光中总是垂直入射面振动的反射反射光中总是垂直入射面振动的反射光的（光的（R R ）大于平行入射面振动的反射）大于平行入射面振动的反射光的反射率光的反射率（R R） 即即

4、 R R R R光的基本性质光的基本性质光波倾斜入射反射强度随入射角光波倾斜入射反射强度随入射角而变而变但总有：但总有：R R R R光的基本性质光的基本性质 直线偏光直线偏光 椭圆偏光椭圆偏光 圆偏光圆偏光二、偏振光的类型二、偏振光的类型 两个振动方向互相垂直、频率相等、两个振动方向互相垂直、频率相等、振幅和相位不一定相等的同一光路的直线振幅和相位不一定相等的同一光路的直线偏光合成，可能产生不同类型的偏振光。偏光合成，可能产生不同类型的偏振光。偏振光的类型偏振光的类型 * 当当=0=0 合成直线偏光合成直线偏光 光的基本性质光的基本性质 * * 当当= =9090 E E1 1=E=E2 2

5、 合成圆偏光合成圆偏光 光的基本性质光的基本性质 当当 0 0 9090 E E1 1EE2 2合成椭圆偏光合成椭圆偏光光的基本性质光的基本性质光的基本性质光的基本性质三、吸收性和吸收性晶体三、吸收性和吸收性晶体 光波进入矿物晶体传播时，透射光的光波进入矿物晶体传播时，透射光的强度会不断减弱；强度会不断减弱； 绝对透明的矿物是不存在的，矿物程绝对透明的矿物是不存在的，矿物程度不等均表现出对光波的吸收。度不等均表现出对光波的吸收。光波射向矿物时：光波射向矿物时： 一部分光线透入，即透射光一部分光线透入，即透射光/ /折射光折射光 另一部分光线被吸收，表现为反射光另一部分光线被吸收，表现为反射光

6、矿物的吸收性：矿物的吸收性：这里是指光波射入矿这里是指光波射入矿物后，其强度随之递减的性质。物后，其强度随之递减的性质。矿物的吸收性矿物的吸收性dxdII0=IRII0I1I2I3I4RdIdIdIdIdxdxdxdx矿物的吸收性矿物的吸收性设：强度为设：强度为 I I 的光波照射吸收性矿物表面的光波照射吸收性矿物表面 通过通过dxdx厚度，因吸收减少的光强为厚度，因吸收减少的光强为dIdI则：则： dI I dx dI I dx ， dI = dI = I dx I dx ， lnIx-lnI= -lnIx-lnI= - x x dxIdIxIxIdxIdI0 xIIxln矿物的吸收性矿物的

7、吸收性 此式称此式称 兰伯特吸收指数定律兰伯特吸收指数定律xeIIxxxeII矿物的吸收性矿物的吸收性 矿物的吸收系数（矿物的吸收系数（K K）：）： 表示矿物吸收能力强弱的常数表示矿物吸收能力强弱的常数 它指示光波在矿物中传播时，振幅衰它指示光波在矿物中传播时，振幅衰减或波长加大减或波长加大/ /光强减弱的程度光强减弱的程度 K K 与与 的关系为：的关系为： = 4 = 4 k/k/ 。 则：兰伯特公式写为则：兰伯特公式写为: : I IX X = Ie = Ie-4-4 kx/kx/ 。矿物的吸收性矿物的吸收性吸收系数（吸收系数（K K）的物理意义：）的物理意义： 当光波进入矿物的距离为

8、一个真空波长当光波进入矿物的距离为一个真空波长 （ 。）。）时，光强减弱至原光强的时，光强减弱至原光强的 1/e1/e4K4K矿物的吸收性矿物的吸收性通常：通常： 不透明矿物不透明矿物 K = 5 0.73K = 5 0.73 （自然金属元素矿物（自然金属元素矿物 K = 5 1.5K = 5 1.5） 半透明矿物半透明矿物 K = 0.73 0.03K = 0.73 0.03 透明矿物透明矿物 K K 0.030.03矿物的吸收性矿物的吸收性矿物吸收性的物理解释矿物吸收性的物理解释1 1）矿物由元素或化合物组成）矿物由元素或化合物组成, , 其结合方其结合方式有离子键、共价键、金属键和分子式

9、有离子键、共价键、金属键和分子键等不同。键等不同。矿物的吸收性矿物的吸收性矿物吸收性的物理解释矿物吸收性的物理解释2 2）固体物理学中能带理论解释）固体物理学中能带理论解释矿物的吸收性矿物的吸收性三、吸收性晶体复数光性指示体三、吸收性晶体复数光性指示体 对于对于 K K 值小于值小于 0.03 0.03 的透明矿物而言，的透明矿物而言，光波在其中的传播（速度）主要受控于光波在其中的传播（速度）主要受控于矿物的折射率（矿物的折射率（N N）。）。 晶体光学中，针对透明矿物主要以矿晶体光学中，针对透明矿物主要以矿物的物的 N N 值为参数，通过光率体认识晶体值为参数，通过光率体认识晶体光学性质。光

10、学性质。 在吸收性晶体中，光学性质随结晶方向在吸收性晶体中，光学性质随结晶方向的变化，不仅与折射率的变化，不仅与折射率 N N 有关，而且更有关，而且更取决于吸收系数取决于吸收系数 K K ； N N使光波的速度改变，而使光波的速度改变，而K K使光波在传播使光波在传播中光强递减变弱；中光强递减变弱； N N和和K K都是矢量。都是矢量。复数光性指示体复数光性指示体 对于对于 K K 值大于值大于 0.03 0.03 的半透明和不透明的半透明和不透明矿物而言，矿物而言，与透明矿物重要区别之一是与透明矿物重要区别之一是其具有复数折射率（其具有复数折射率（ N ）：）：N N i K复数光性指示体

11、复数光性指示体 由于吸收性晶体的复数折射率是一个复数由于吸收性晶体的复数折射率是一个复数 N N N N i Ki K 故光性指示体叫做故光性指示体叫做“复数光性指示体复数光性指示体” 由于有一个虚数（由于有一个虚数（i i）存在）存在, , 对于非均质矿物晶体对于非均质矿物晶体复数光性指示体，除特殊方向外，很难用几何图复数光性指示体，除特殊方向外，很难用几何图形来表示，只能用高次方程数学式表达形来表示，只能用高次方程数学式表达复数光性指示体复数光性指示体 吸收性矿物光性受吸收性矿物光性受 N N、N N、K K 三个矢量控制三个矢量控制其数值随晶体结晶方向变化其数值随晶体结晶方向变化 ，决定

12、矿物复数，决定矿物复数光性指示体；光性指示体； 通常吸收性矿物光性指示体由通常吸收性矿物光性指示体由 N K N K 两个立体两个立体壳层穿插构成，并由它们确定出反射率壳层穿插构成，并由它们确定出反射率 R R 壳壳层。层。复数光性指示体复数光性指示体 按照矿物晶体对称程度不同，分别对按照矿物晶体对称程度不同，分别对它们的复数光学指示体的特点及其对它们的复数光学指示体的特点及其对光波的反射与偏振情况说明如下：光波的反射与偏振情况说明如下：复数光性指示体复数光性指示体由两个同心球状壳层组成：由两个同心球状壳层组成： 一个壳层半径矢量代表一个壳层半径矢量代表 N N 一个壳层半径矢量代表一个壳层半

13、径矢量代表 K K 并决定出并决定出R R壳层壳层1.1.高级晶族（等轴晶系）高级晶族（等轴晶系）复数光性指示体复数光性指示体具有高度对称性，任何方向切面的性质均相同；具有高度对称性，任何方向切面的性质均相同；对垂直入射光的反射没有方向性；对垂直入射光的反射没有方向性；垂直入射平面偏光反射时，反射光仍是平面偏光垂直入射平面偏光反射时，反射光仍是平面偏光而且振动方向不改变。而且振动方向不改变。高级晶族高级晶族复数光性指示体复数光性指示体 由两个基本旋转椭卵体构成，由两个基本旋转椭卵体构成，二旋转轴重合二旋转轴重合, ,并与光轴并与光轴 (c(c轴轴) ) 一致，但长度不等；一致，但长度不等； N

14、 N椭卵体壳主轴向量分别为椭卵体壳主轴向量分别为: : N No o和和N Ne e K K椭卵体壳主轴向量分别为椭卵体壳主轴向量分别为: : K Ko o和和K Ke e R R椭卵体壳主轴向量分别为椭卵体壳主轴向量分别为: : R Ro o 和和 R Re e 中级晶族中级晶族( (一轴晶：六方、三方、四方晶系一轴晶：六方、三方、四方晶系) )复数光性指示体复数光性指示体中级晶族中级晶族横切面横切面与高级晶族矿物光性指示体相同与高级晶族矿物光性指示体相同; ;纵切面纵切面将垂直入射平面偏光分解为互相垂直的将垂直入射平面偏光分解为互相垂直的两个反射平面偏光两个反射平面偏光 ( R( Ro o

15、和和R Re e ), ), 分别垂直和平分别垂直和平行于行于 c c 轴轴; ;任意切面任意切面将垂直入射平面偏光分解为互相垂直将垂直入射平面偏光分解为互相垂直的两个反射平面偏光的两个反射平面偏光 (R(R1 1和和R R2 2), ), 一个平行于一个平行于短轴短轴, ,另一个平行于长轴。另一个平行于长轴。复数光性指示体复数光性指示体中级晶族中级晶族中级晶族矿物横切面中级晶族矿物横切面垂直入射平面偏光反射时垂直入射平面偏光反射时反射光仍是平面偏光而且振动方向不改变反射光仍是平面偏光而且振动方向不改变,显显示反射率示反射率R Ro o；中级晶族矿物中级晶族矿物纵切面纵切面垂直入射平面偏光反射

16、时垂直入射平面偏光反射时 矿物矿物0位位: 反射光仍是平面偏光而且振动反射光仍是平面偏光而且振动方向不改变方向不改变,显示反射率显示反射率R Ro o或或 R Re e ； 矿物非矿物非0 0位位: : 反射光发生振动面旋转和椭反射光发生振动面旋转和椭圆偏化，形成椭圆偏光。圆偏化，形成椭圆偏光。复数光性指示体复数光性指示体 中级晶族中级晶族中级晶族矿物中级晶族矿物任意切面任意切面垂直入射平面偏光反射时垂直入射平面偏光反射时 矿物矿物0位位: 反射光仍是平面偏光而且振动方反射光仍是平面偏光而且振动方向不改变向不改变,显示反射率显示反射率R R1 1或或 R R2 2 ； 矿物非矿物非0 0位位:

17、 : 反射光发生振动面旋转和椭圆反射光发生振动面旋转和椭圆偏化，形成椭圆偏光。偏化，形成椭圆偏光。复数光性指示体复数光性指示体 （1 1）斜方晶系）斜方晶系 由两个不同大小、不同形态的非旋转三轴由两个不同大小、不同形态的非旋转三轴椭卵体构成，一个椭卵体壳层代表椭卵体构成，一个椭卵体壳层代表N N，一个，一个椭卵体壳层代表椭卵体壳层代表K K； 指示体三主轴大小不同，与矿物结晶轴一指示体三主轴大小不同，与矿物结晶轴一一重合。一重合。 低级晶族低级晶族( (二轴晶二轴晶: : 斜方、单斜、三斜晶系斜方、单斜、三斜晶系) )复数光性指示体复数光性指示体 N N、K K、R R椭卵体三主轴分别为椭卵体三主轴分别为 N Ng g、N Nmm、 N Np p K Kg g、K Kmm、K Kp p R Rg g、R Rmm、R Rp p斜方晶系斜方晶系复数光性指示体复数光性指示体 由两个不同大小、不同形态不完全对称的由两个不同大小、不同形态不完全对称的三轴非旋转椭卵体构成，一个椭卵体壳层三轴非旋转椭卵体构成，一个椭卵体壳层代表代表N N，一个椭卵体壳层代表，一个椭卵体壳层代表K K； 由由 N N和和K K两个壳层决定产生两个壳层决定产生 R R 单斜椭卵体单斜椭卵体（2 2） 单斜晶系