晶体光学基础理论汇总

1、晶体光学及光性矿物学Crystal Optics & Optical Mineralogy（64学时）任课教师：佘振兵 （地球科学学院） 联系方式： 67884734 教 材 n晶体光学及光性矿物学，曾广策等编著，中国地质大学出版社，2006，O734/Z1参考书n晶体光学与造岩矿物，林培英主编，地质出版社，2005，P585.1/L5n晶体光学原理，陈芸菁编著，地质出版社，1987，O734/Ch1n光性矿物学，王德滋, 谢磊编著，科学出版社，2008，P585.1/W1.2n光性矿物学教程，杨承运编，地质出版社，1989，P585.1/Y1nOptical crystallography，

2、Wahlstrom，Wiley，1979，O734/W137nOptical mineralogy, Kerr, McGraw-Hill, 1977, P585.1/K41讲课内容安排 Course Syllabusn晶体光学基础理论(1)n晶体光学基础理论(2)n单偏光镜下的晶体光性特征(1)n单偏光镜下的晶体光性特征(2)n正交偏光镜下的晶体光性特征（1）n正交偏光镜下的晶体光性特征(2)n锥光镜下的晶体光性特征n宝石矿物的晶体光学特征、系统鉴定1. 光性矿物学基础 每次课2学时实验课安排（共23次课）Practical Class晶体光学部分n偏光显微镜的构造与使用，2课时n解理、多色性

3、 ，2课时n突起等级、贝克线，4课时n消光、补色法则、干涉色级序，4课时n消光类型、消光角、延性，4课时n一轴晶干涉图、二轴晶干涉图，4课时n寻找定向切面、测一轴晶矿物多色性公式 ，4课时光性矿物学部分n系统鉴定：普通角闪石，2课时n橄榄石及其蚀变矿物 ，2课时n辉石族矿物 ，4课时n云母族矿物 ，4课时n斜长石成分鉴定法，4课时n钾长石、石英 ，4课时n方解石、萤石 ，2课时实验课安排（共23次课）实验课分班：每班不超过30人成绩评定方法n理论部分（晶体光学）：闭卷考试，占总分50%n实践部分（光性矿物学）：平时实验课成绩，占总分50% 晶体光学晶体光学: :研究可见光研究可见光通过通过透明

4、矿物透明矿物晶体时的一晶体时的一些光学现象及其变化规律的学科。些光学现象及其变化规律的学科。 研究目的研究目的：根据光学特征鉴定矿物种属、鉴定：根据光学特征鉴定矿物种属、鉴定宝石。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鉴定矿物的其他方法: : 形态、力学性质（如解理、裂开）、密度、磁性形态、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）、反光强颜色（主要是吸收色）、粉末色（条痕色）、反光强度、荧光效应等度、荧光效应等化学成分。化学成分。 晶体光学晶体光学：强调可见光：强调可见光光线在穿过透明矿物之后光线在穿过透明矿物之后产生

5、的光学效应产生的光学效应，借助光，借助光学效应之间的差别来鉴别学效应之间的差别来鉴别矿物种属。矿物种属。第第1 1讲讲 晶体光学基础原理晶体光学基础原理. .上上u 光的波动性光的波动性u 可见光、单色光与白光、自然光与偏光可见光、单色光与白光、自然光与偏光u 光的折射与折射率光的折射与折射率u 双折射和双折射率双折射和双折射率u 光的全反射和全反射临界角光的全反射和全反射临界角u 光性均质体与光性非均质体光性均质体与光性非均质体 一、一、光学基础知识光学基础知识1 1、光的波动性、光的波动性 电磁波是一种横波，因此光也是横波：电磁波是一种横波，因此光也是横波：振动方振动方向与传播方向相互垂直

6、向与传播方向相互垂直 光波具有一切电磁波属性：光波具有一切电磁波属性：反射、折射、干涉、反射、折射、干涉、偏振、色散、衍射特征。偏振、色散、衍射特征。 F = V/ 图中波自左向右以速度V传播波长 (wavelength)：相邻两波峰之间的距离频率F (frequency)：每秒钟内波峰通过某一点处的次数振幅A (amplitude)：波的高度波的相关术语可见光可见光：正常的人眼能感觉到的电磁波。单色光单色光：频率为某一定值或在某一窄小范围的可见光。白光：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可见光在电磁波谱中的位置波长（nm）紫外紫外

7、红外红外紫紫兰兰绿绿黄黄橙橙红红390430500570590650770波长nm人眼最为敏感的光是黄绿光，即 附近555 nm自然光自然光: :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u偏光化作用(Polarization)：使自然光转变为偏光的作用。u反射、折射、双折射、选择性吸收可使自然光转变为偏振光。west (left)east (right)单偏光单偏光 “PPL”自然光自然光光通过下偏光镜时只有东西方向振动的光才能通过3、光的折射与折射率Refraction & refractive index生活中

8、的光折射生活中的光折射irNiNrNiNrNrNi法法线线法法线线WaterWaterAirAir疏疏密密密密疏疏1）由光疏进入光密物质，折向光法线；反之，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）光在介质中的传播速度受微观结构（密度、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。折射定律（Snell定律）： N = Sini / Sinr = Vi / Vr NrNiNiNr为全反射临界角为全反射临界角* *光波由光密介质进入光疏介质，当入射角增大光波由光密介质进入光疏介质，当入射角增大到某一临界角到某一临界角

9、时，会产生全反射，据此原理，时，会产生全反射，据此原理，在已知在已知N Ni i时，测出时，测出值就能测出值就能测出N Nr.r.4、光的全反射和全反射临界角据折射定律：据折射定律： N = Vi / Vr = Sini / Sinr = Nr / Ni Sinr = Sini/ N 若若Sini=N,则则r =90 密密疏疏双折射现象的发现：冰洲石下的双像n1669年，丹麦科学家巴塞林那斯(E.Bartholinus) 透过冰洲石看书，发现每个字都变成了两个。n10年后，荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens) 给出了解释：q一束光进入冰洲石后分为两束（双折射）q其中一束遵

10、从折射定律，称为常光（O光）；另外一束不遵从折射定律，称为非常光（e光）q冰洲石越厚，两束光分得越开。5、双折射和双折射率Double refraction & Birefringenceoe冰洲石冰洲石冰洲石下的绳子有两个像冰洲石下的绳子有两个像双折射双折射单折射单折射玻璃下的绳子只有一个像玻璃下的绳子只有一个像oe冰洲石冰洲石当光线入射到矿物晶体之中时，一般都发生当光线入射到矿物晶体之中时，一般都发生双双折射折射现象。即形成两束折射光。现象。即形成两束折射光。u 一束为一束为寻常光（ o o 光），服从折射定律，沿各方向传播的o光速度相同，即各方向的折射率相同。u 另一束为异常光（e e

11、光），不服从折射定律，沿各方向传播的光速度不同，即各方向的折射率不同。光轴光轴 (optical axis, OA)(optical axis, OA)：晶体内特殊的方向，当光线沿该方向入射时，不发生双折射。5 .1015 .78相关说明（1）o o 光与e e 光均为偏振光，二者传播方向、传播速度、折射率一般不同。 o o 光、e e 光折射率之差为双折率。（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振动方向的影响；e e 光一般不在入射面内，传播速度随振动方向变化。晶面法线晶面法线晶面法线晶面法线o o光：三线共面光：三线共面e e光

12、：三线不共面光：三线不共面（3）振动方向： o 光振动方向与其主平面（光线和光轴所决定的平面）垂直；e 光振动方向/其主平面。光轴光轴o光光光轴光轴e光光o o光主平面光主平面e e光主平面光主平面主平面: 晶体内光线与光轴构成的平面（1 1）当光轴在入射面内时）当光轴在入射面内时光轴光轴o光和光和e光的振动方向垂直光的振动方向垂直* * 两种特殊情况下两种特殊情况下o光与光与e光的振动方向光的振动方向o o光光e e光光 主截面（主截面（晶面法线与光轴构成的平面晶面法线与光轴构成的平面）入射面（入射面（入射光线与晶面法线构成的平面入射光线与晶面法线构成的平面） o光的主平面（光的主平面（晶体

13、内光线与光轴构成的平面晶体内光线与光轴构成的平面） e光的主平面（光的主平面（晶体内光线与光轴构成的平面晶体内光线与光轴构成的平面）重重合合（2 2）当光轴垂直入射面时）当光轴垂直入射面时o 光和光和e 光振动方向垂直光振动方向垂直光轴光轴 o o光光e e光光o o光主平面光主平面e e光主平面光主平面 光轴光轴o o光光e e光光 o光的振动方向与晶体的光轴垂直；光的振动方向与晶体的光轴垂直；e光的振动光的振动方向与晶体的光轴共面。方向与晶体的光轴共面。Wallaston棱镜由两块由两块光轴相互垂直光轴相互垂直的的方解石（方解石（none）直角棱）直角棱镜组成，具有镜组成，具有起偏作用、起

14、偏作用、分光作用分光作用。* * 双折射应用实例双折射应用实例Wallaston棱镜工作原理eOABDCO方解石方解石4864.1en6584. 1on 光密光密光疏光疏eO 光振动垂直于主平面；光振动垂直于主平面； e 光振动光振动/主平面主平面光疏光疏光密光密o光变e光e光变o光eoonnrsinisin平行振动平行振动oeennrsinisin垂直振动垂直振动904868光轴光轴把方解石（把方解石（ne=1.468，no=1.658) )按长宽比按长宽比= =2.8的的比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成两半，比例磨制，后沿晶体上某个面将晶体剖成两半，再以再以n=1.550的的加拿大树胶

15、加拿大树胶粘合成原来形状。粘合成原来形状。加拿大树胶加拿大树胶尼科耳棱镜续上方解石主截面将 71 修磨成 6868光轴光轴胶= = 1.491.49= = 1.661.66= = 1.551.55胶具备全反射条件OO光上述设计可保证 大于全反射临界角 只有只有 从端面输出从端面输出光ABOO光光被涂黑的器壁吸收光71尼科耳棱镜工作原理6、光性均质体与光性非均质体u光性均质体光性均质体 Optical isotropic substanceu光性非均质体光性非均质体 Optical anisotropic substance光性均质体光性均质体 指指光学性质各个方向相同的物质光学性质各个方向相同

16、的物质，如，如玻璃质和玻璃质和等轴晶系等轴晶系的矿物的矿物 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u思考：是否会发生折射？光性非均质体光性非均质体 光学性质因方向而异的矿物光学性质因方向而异的矿物，即除，即除等轴晶系等轴晶系以以外的所有其它晶系的矿物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，分解成两束振动方向不同、传播速度不同、折射率不等的偏光。 晶体光学基础理论（1）小结u 光的波动性：电磁波、横波光的波动性：电磁波、

17、横波u 可见光可见光（390-770nm）、单色光、单色光/ /白光、自然光白光、自然光/ /偏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u 光的折射：折射后发生了什么光的折射：折射后发生了什么？V V、F F、 、传播方向？u 光的全反射和光的全反射和全反射临界角全反射临界角u 双折射双折射： 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(NoNe)u主截面、主平面、入射面、主轴面主截面、主平面、入射面、主轴面 光的主平面：晶体中的光线与光

18、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u 光性均质体光性均质体/ /光性非均质体光性非均质体（是否发生双折射）u * * 双折射与光传播方向改变的问题双折射与光传播方向改变的问题常光：遵循折射定律（No=Sin I /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注意：光波在非均质体中传播时，决定其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。均质体均质体: 单折射单折射 ( (一个折射率一个折射率) )自然光自然光进自然光出，偏振光进偏振光出进自然光出，偏振

19、光进偏振光出类玻璃质类玻璃质：玻璃、水、空气、树胶、蛋玻璃、水、空气、树胶、蛋白石白石等轴晶系等轴晶系：石榴石、萤石、尖晶石、金石榴石、萤石、尖晶石、金刚石、白榴石刚石、白榴石一轴晶一轴晶:(2(2个主折射率个主折射率) )六方晶系六方晶系：磷灰石、霞石、绿柱石磷灰石、霞石、绿柱石四方晶系四方晶系：锆石、金红石、方柱石锆石、金红石、方柱石三方晶系三方晶系：石英、方解石、刚玉、电石英、方解石、刚玉、电气石气石二轴晶二轴晶:(3(3个主折射率个主折射率) )斜方晶系斜方晶系：橄榄石、紫苏辉石橄榄石、紫苏辉石单斜晶系单斜晶系：普通角闪石、透长石普通角闪石、透长石三斜晶系三斜晶系：斜长石、硅灰石斜长石

20、、硅灰石非均质体非均质体: 光从非光轴方向入射，光从非光轴方向入射，产生双折射，分解成振产生双折射，分解成振动方向互相垂直的两束动方向互相垂直的两束偏振光。偏振光。晶体光学研究的对象晶体光学研究的对象思考题1. 1. 所有介质的折射率总是所有介质的折射率总是 1 1，为什么？为什么？2. 2. 垂直入射的光线如何折射？垂直入射的光线如何折射？3. 3. 为什么右图中玻璃杯中的铅笔为什么右图中玻璃杯中的铅笔没有变成两根？没有变成两根？第第2 2讲讲 晶体光学基础原理晶体光学基础原理. .下下光率体光率体：表示光波在晶体中传播时，折射率值随光波振动方向变化规律的一种光性指示体。（是光的振动方向，不

21、是传播方向，决定了晶体光学性质） 二、晶体光率体晶体光率体 (Optic indicatrix)（重要！重要！）光率体不是实际的物体，而是抽象模型，把矿物晶体的光学性质简化为一几何体半径长度表示N的大小1.均质体光率体 Isotropic indicatrix u不同方向振动的光波N相等，为一圆球体u只有一个折射率值Nu任何切面都是圆切面u圆切面的半径NNNNN为什么关注光率体切面？为什么关注光率体切面？2.一轴晶光率体 Uniaxial indicatrix p 形态：旋转椭球体，旋转轴与结晶轴c轴一致p c轴入射光波,在c轴的平面内振动，折射率为No，不发生双折射。故c轴 OA。p c轴入

22、射光波，分解为和c轴振动的两种偏光，折射率为Ne，No。NeNo（1 1）特征）特征 (2)(2)光率体要素光率体要素： 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 |NeNo|为最大双折射率 有一个光轴（OA） /Ne/C轴NoNoNeNeOAOANeNo,NeNo,正光性正光性如石英如石英NeNo,Ne Nm NpNgNmNpXYZOAOAOAOA(2)光率体要素：u 三个主折射率：Ng(Ng)Nm(Np)Npu 两个OAu 光轴角（2V）：OA锐夹角u Bxa：OA锐角平分线,=Ng或Np；Bxo：钝角平分线u光轴面（OAP）：包含两个OA的切面Ng(Bxa)NpBxo

23、Nm正光性：正光性：Ng=Bxa负光性负光性: :Ng=Bxo(3) 光性正负之分近似公式：近似公式： Ng-Nm Nm-NpNg-Nm Nm-Np近似公式：近似公式： Ng-Nm Nm-NpNg-Nm Nm-Np(4)主要切面及意义a.切面：半径为Nm的圆切面，可测m的颜色和折射率，锥光下可测轴性和光符，2V大小。NmNm切面有几个？b. OAP切面：NgNp面（光波沿Nm轴入射发生双折射），为椭圆，长短半径为Ng和Np，双折射率Ng-Np，为二轴晶矿物最大双折率。NmNmc. 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

24、的切面, NmNg面。为椭圆切面,长短半径为Ng、和Nm。双折射率d. 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e.斜交切面: 不OA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, NgNgNmNpNp。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、NgNm、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：表示光波在晶

25、体中传播时，其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、光率体要素也从简单到复杂. 2、一轴晶为二轴晶2V0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、二轴正光性，当Nm=Np时变为一轴（+）光性. 二轴负光性，当Nm=Ng时变为一轴（-）光性.Z三、光性方位 (Optic orientation)光性方位：光性方位： 光率体主轴与晶体结晶轴间的关系。光率体主轴与晶体结晶轴间的关系。xyz 1. 1. 均质体的光性方位均质体的光性方位 光率体为圆球，无方位可言。光率体为圆球，无方位可言。2.2.中级晶族（一轴晶）的光性方位中级晶族（一轴晶）的光性方位光率体为旋转椭球体，旋转轴为Ne= 高次对称轴(C轴) = OA。一轴晶正光性矿物的光性方位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一轴晶负光性矿物的光性方位石英的光性方位石英的光性方位方解石