有色冰洲石晶體熱處理褪色及其光學性質的研究.doc

分類號：O436.3學校單位代碼：10446碩 士 學 位 論 文論文題目：有色冰洲石晶體熱處理褪色及其光學性質的研究研 究 生 姓 名 ： 亓 欣學 科、專 業(yè)： 光 學研 究 方 向 ： 偏光技術與器件導師姓名、職稱： 吳福全 教授論文完成時間： 2012年 3月 曲阜師范大學研究生學位論文原創(chuàng)性說明（根據(jù)學位論文類型相應地在“”劃“”） 本人鄭重聲明：此處所提交的博士/碩士論文有色冰洲石晶體熱處理褪色及其光學性質的研究，是本人在導師指導下，在曲阜師范大學攻讀博士/碩士學位期間獨立進行研究工作所取得的成果。論文中除注明部分外不包含他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確的方式注明。本聲明的法律結果將完全由本人承擔。 作者簽名： 日期： 曲阜師范大學研究生學位論文使用授權書（根據(jù)學位論文類型相應地在“”劃“”）有色冰洲石晶體熱處理褪色及其光學性質的研究系本人在曲阜師范大學攻讀博士/碩士學位期間，在導師指導下完成的博士/碩士學位論文。本論文的研究成果歸曲阜師范大學所有，本論文的研究內容不得以其他單位的名義發(fā)表。本人完全了解曲阜師范大學關于保存、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權曲阜師范大學，可以采用影印或其他復制手段保存論文，可以公開發(fā)表論文的全部或部分內容。 作者簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 摘要第 1頁摘 要冰洲石晶體是制作棱鏡偏光器件的貴重材料，在偏光技術應用的各個領域發(fā)揮著重要的作用。目前，由于冰洲石的來源主要靠天然產出，替代品并不能完全代替冰洲石，人工合成技術尚未達到工業(yè)應用標準等原因造成了冰洲石晶體的價格昂貴。為充分利用現(xiàn)有的冰洲石資源，本文通過熱處理的方法對黃色和紫色冰洲石晶體的顏色進行了改善。全文包括五章：第1章緒論，主要介紹冰洲石晶體的應用概況，給出了本課題的研究現(xiàn)狀和研究意義，并對本論文的工作進行了說明。第2章冰洲石晶體的光學性質及其應用，主要對冰洲石晶體的透過率、雙折射率和起偏性能，以及這些光學性質的應用進行了介紹，并簡要介紹了冰洲石晶體的人工合成。第3章有色冰洲石晶體的呈色機理，主要對有色冰洲石晶體的呈色原因進行了較為系統(tǒng)的介紹，簡單總結了天然黃色和紫色冰洲石晶體的呈色原因，即對光的選擇性吸收。第4章有色冰洲石晶體熱處理褪色實驗。設計實驗方案，利用 ZDXS2-10-1000箱式電阻爐對不同深淺、不同大小的黃色和紫色冰洲石晶體進行了熱處理褪色實驗，并確定了有效的褪色條件。第5章有色冰洲石晶體熱處理褪色前后光學性能的研究。選取天然的黃色和紫色冰洲石晶體進行相應的樣品加工，其中實驗組和參照組均取自同一塊晶體。設計實驗方案，分別對熱處理前后黃色和紫色冰洲石晶體的透射光譜、消光比和主折射率進行了測量，并對測量結果進行了分析總結。論文的第4章和第5章是本論文和核心部分，以實驗探究為主，也是本工作的創(chuàng)新點。主要結論概括起來主要有以下幾點：1 通過大量實驗，我們發(fā)現(xiàn)，黃色和紫色冰洲石晶體在加熱到一定溫度時顏色會發(fā)生變化，在恒溫4小時的情況下，其有效完全褪色溫度分別為390和470。2 通過對熱處理褪色前后冰洲石晶體進行透射光譜測試表明：熱處理褪色后的冰洲石晶體在紫外可見光波段的透光范圍有明顯的拓寬。同時進一步驗證了，黃色和紫色冰洲石晶體的呈色原因分別是：對藍紫區(qū)波段光的吸收和黃綠區(qū)波段光的選擇性吸收。3 通過對熱處理前后冰洲石晶體消光比和主折射率的測量表明：熱處理褪色未對冰洲石晶體的消光比和折射率產生明顯的影響。熱處理褪色后的冰洲石晶體外觀完好，透過率、偏光性和雙折射率三大光學性質完全符合它在工業(yè)上的應用要求，冰洲石的顏色改善取得了明顯的效果。通過熱處理褪色而盡可能的利用現(xiàn)有冰洲石資源的方法是可行的。關鍵詞：偏振光學；冰洲石晶體；熱處理；褪色；透過率；消光比；折射率 摘要第 2頁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頁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; 目錄第 1頁目 錄第1章 緒論 1第2章 冰洲石晶體的光學性質及其應用 32.1冰洲石晶體的光學性質 32.1.1冰洲石晶體簡介 32.1.2冰洲石晶體的化學成分 32.1.3冰洲石晶體的光學性質 42.1.4冰洲石晶體的其他性質 62.2冰洲石晶體光學性質的應用 62.2.1冰洲石晶體的工業(yè)應用標準 62.2.2冰洲石晶體光學性質的應用 72.3冰洲石的合成 10第3章 有色冰洲石晶體的呈色機理 113.1礦物的呈色機理 113.1.1傳統(tǒng)礦物顏色研究理論 113.1.2現(xiàn)代礦物顏色研究理論 113.2有色冰洲石晶體的呈色機理探討 143.2.1有色冰洲石晶體的化學成分 143.2.2黃色和紫色冰洲石的呈色機理 153.3本章小結 16第4章有色冰洲石晶體熱處理褪色實驗 174.1實驗設備ZDXS2-10-1000箱式電阻爐 174.2 有色冰洲石晶體有效褪色條件研究 174.2.1 黃色冰洲石晶體有色褪色條件研究 174.2.2 紫色冰洲石晶體有效褪色條件研究 204.3本章小結 21第5章 有色冰洲石晶體熱處理褪色前后光學性能的研究 225.1 熱處理褪色和材料加工 225.1.1樣品初加工 225.1.2樣品熱處理褪色 225.1.3樣品拋光 235.1.4樣品切割后拋光 235.2透射光譜 235.2.1實驗設備島津UV-3101PC分光光度計 235.2.2測量裝置和方法 255.2.3實驗結果和分析 265.3消光比 335.3.1測量原理和裝置 335.3.2測量方法和步驟 345.3.3實驗結果和分析 34 目 錄第 2頁5.4主折射率 345.4.1測量原理和方法 345.4.2測量裝置和方法 355.4.3測量結果和分析 355.5結論 36參考文獻 37在校期間發(fā)表的學術論文 39致 謝 40 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 1頁第1章 緒論冰洲石晶體是一種無色透明的天然礦物，具有高的透過率、大的雙折射率以及良好的偏光性三大光學特性，為其他礦物所不及。冰洲石晶體的應用正是基于其固有的這三大光學特性。冰洲石晶體是制作棱鏡偏光器件1及其他光學器件的重要材料?，F(xiàn)已查明，具有雙折射性質的晶體多達600余種23，但能直接用于制作棱鏡偏光器件的不足10種，主要是因為偏光器件對晶體的要求比較嚴格，一般應滿足如下的條件：在使用的光譜區(qū)內有理想的最大雙折射率，雙折射率均勻；透明度高，無光學級要求的缺陷（如包裹體、裂隙、雙晶等缺陷都應該控制在指標以內）；物化性能穩(wěn)定，容易獲得需要的尺寸，不易潮解，易于加工，抗損傷閾值高?；谄渌鈱W材料所不及的三大光學特性，冰洲石晶體得到了廣泛的應用4。但是冰洲石晶體的價格卻很昂貴，主要有以下幾方面決定：一、符合工業(yè)應用標準的產量低。目前，冰洲石晶體的市場供應主要靠天然產出的冰洲石礦產。冰洲石的硬度低，但是工業(yè)上對冰洲石的要求卻很高，開采時要保證冰洲石晶體的完整與無內部缺陷，這些都決定了冰洲石的開采難度。雖然全世界各地都有冰洲石的產出，但礦床中產出晶體中完好的冰洲石很少，而且沒有缺陷的冰洲石又常常帶有各種顏色的色調，這就很大地限制了冰洲石在工業(yè)上的應用。二、替代品不能完全代替冰洲石。人們一直試圖用別的代用品來代替冰洲石，雖然有一定的效果，但是這些代用品總是有某些缺陷，不能完全代替冰洲石。三、人工合成未有顯著進展。雖然近年來國內外的學者都在積極地尋找實驗合成冰洲石的方法，但都沒有找到合成完整而且大塊的冰洲石晶體的方法，因此還不能作為光學冰洲石市場資源的一部分。以上種種原因造成了工業(yè)可用冰洲石價格高的現(xiàn)象。因此，就現(xiàn)階段而言，為充分利用現(xiàn)有的冰洲石資源，就應該對冰洲石進行人工處理，充分利用那些不含包裹體、裂隙、但帶有某種顏色的冰洲石，把其顏色褪去，使其達到工業(yè)應用的標準。查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前，國外未發(fā)現(xiàn)有相關的實驗，但是有對礦物呈色機理的探討16。國內方面，20 世紀 80 年代，曹俊臣等通過水熱法對貴州黃色冰洲石進行褪色5，但其實驗樣品不全面，實驗周期太長，不利于工業(yè)上大量生產；2001年羅躍平6等對冰洲石的礦物學特征及其褪色實驗進行了研究，但在實驗的參照組的設置上存在一定缺陷，對光學性質的研究不夠全面。結合本所對冰洲石晶體的實際應用情況和相關的實驗條件，本論文主要從以下幾個方面展開工作：一、查閱相關資料，了解冰洲石晶體的應用和可能的呈色原因。二、通過大量實驗，對天然的不同深淺的黃色和紫色冰洲石晶體的熱處理褪色條件進 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 2頁行了探究。三、設計實驗方案，對黃色和紫色冰洲石晶體熱處理褪色前后透射光譜、消光比以及主折射率進行了測量。四、分析相關實驗結果，對有色冰洲石晶體的褪色原因和褪色后的可應用性進行了分析。 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 3頁第2章 冰洲石晶體的光學性質及其應用2.1冰洲石晶體的光學性質2.1.1冰洲石晶體簡介嚴格意義上來說，冰洲石晶體和方解石是不同的。方解石是一種分布很廣的天然碳酸鹽礦物，其晶體形態(tài)多種多樣；冰洲石是一種光學級的方解石的，所以一般稱光學方解石為冰洲石。無色透明的冰洲石稱為冰洲石晶體。冰洲石晶體屬于三方晶系，通常呈菱面體晶形，共有六個晶面，每個晶面均呈菱形，菱形的鈍角為 10155，銳角為 78057，如圖2.1 所示。冰洲石的菱面解理發(fā)育，一面呈菱形，一面呈平行四邊形。對于自然解理狀態(tài)下的冰洲石晶體來說，它有兩個相等的三面鈍角（10155）所組成的鈍隅，由實驗知，從任何一鈍隅所作的面等分角線便是它的光軸方向。當冰洲石晶體的各條邊等長時，鈍隅的面等分角線也就是相對的兩個鈍隅之間的連線，平行于該連線方向的任何直線都是晶體的光軸。光軸圖 2.1 冰洲石晶體的光軸方向101552.1.2冰洲石晶體的化學成分冰洲石晶體的主要化學成分是碳酸鈣（ CaCO3）。理想的冰洲石晶體含 56%的CaO，含44%的CO2。表2-1所示的是冰洲石晶體的主要化學成分。在天然的冰洲石晶體中，往往含有Mg，F(xiàn)e和Mn的類質同象混入物，有時也含有 Pb、Zn、Sr和 Ba的類質同象混入物。冰洲石的雜質離子的含量非常少，CaO含量一般在55.5%，這就說明了這種礦物是相當純潔的。由于類質同象混入物的陽離子與鈣離子有很大的差別，所以類質同象的現(xiàn)象表現(xiàn)為一種穩(wěn)定的CaCO3MgCO3。這是中間狀態(tài)的混合晶體，而后來，這種晶體的鎂又被等價的上述元素所代替。 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 4頁表 2-1冰洲石晶體的主要化學成分（wt%）氧化物SiO2I1I2無色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總計數(shù)據(jù)引自鄧世榮8，1958另外，2001年羅躍平在對冰洲石的微量元素的測定和分析的結果表明，在冰洲石中還含有微量元素Cu、 Ni、Co和各種稀土元素。2.1.3冰洲石晶體的光學性質冰洲石晶體是一軸晶，負光性。冰洲石晶體最主要的光學性能是：較高的透射率和較大的雙折射率。（一）冰洲石晶體的透射率透射率是衡量晶體性質的重要指標之一。冰洲石晶體在光譜的可見部分有高度的透明性，在相當寬的波長范圍內（0.33 m）具有很高的透光性能，350nm范圍內的紫外線透過率可達 78%以上，740nm的透過率可達到 85%以上，在 200nm時不透光；冰洲石晶體的吸收系數(shù)在相當寬的波段內為零9。因而是制作棱鏡式偏光器件的理想材料。（二）冰洲石晶體的雙折射率折射率是晶體的重要光學參數(shù)，也是衡量晶體物理特性最基本的內容之一。雙折射是絕大多數(shù)晶體（等軸晶系的晶體除外）的一個主要的光學性質。晶體的許多光學性質都和雙折射有關。光在在勻質介質中傳播時，光速不因傳播方向的改變而改變，故勻質介質只具備一個折射率。但是光在像冰洲石晶體這樣的非勻質介質中傳播時，光速會因傳播方向的不同而改變。自然光進入非勻質介質，原來是任意方向的振動，會變?yōu)閮蓚€振動方向互相垂直的光波，并且這兩個互相垂直振動的光波，其傳播速度除了個別特殊方向外，一般是不相等的。因此，當光入射到冰洲石晶體上時，就要產生兩條折射光線，即雙折射 4現(xiàn)象。人們最早就是在冰洲石中觀察到雙折射現(xiàn)象的。非勻質介質中有個別方向不產生雙折射現(xiàn)象，當自然光沿此方向在其中傳播時，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，這個方向稱為晶體光軸方向。如2.2所示，取一張潔凈的白紙，紙上點一很小的黑點，然后把冰洲石的解理塊蓋在 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 5頁小黑點上，覆蓋時使冰洲石的菱面正對著觀察者。此時我們看到的不是一個小黑點，而是兩個小黑點；如果在紙面上轉動冰洲石解理塊，一小黑點永遠固定不動，而另一小黑點則環(huán)繞前一小黑點轉動。冰洲石晶體的各條邊等長，陰影面為入射面，即入射光線和晶體光軸所組成的平面，入射面內沿對角線的黑色實線表示晶體光軸方向。固定的黑點（用O表示）與紙面上的畫點重合，即它所對應的光線垂直透過冰洲石，它遵守一般的折射定律，被稱為尋常光（o光）；移動的黑點（用E表示）偏離紙面上的點，即它所對應的光線斜向透過冰洲石，它不遵守一般的折射定律，被稱為非常光（e光）。應當注意，這里所謂的o光與e光只在雙折射晶體內部才有意義，射出晶體后，就無所謂o光和e光了。我們知道，真空中光速 c與媒質中光速 vo光e光之比等于媒質的折射率n，即n = c v。在冰洲石晶體中，o光服從折射定律，沿各個方向的傳播速度是相同的，因此 no = c vo。但是e光不服從普通的折射定律，我們不能用一個折射率來反映它的折射規(guī)律，但是通常仍把真空光速c與e光沿垂直于光軸傳播時的這個速度之比c ve稱為它的主折射率ne。no和ne合稱為晶體的主折射率。不同波長下冰洲石晶體的主折射率是不同的，如表2-2所示。OE光軸入射面圖 2.2冰洲石雙折射現(xiàn)象體視圖表 2-2不同波長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 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 6頁另外，不同溫度下同一波長的折射率也有所不同， o光和e光的折射率溫度系數(shù)隨波長的變化也是不同的。李紅霞、趙爽等曾對雙折射晶體和器件的溫度特性做過系統(tǒng)的研究1011，精確地求解出Sellmeier的各常數(shù)表達式，然后通過線性插值的方法得到不同波長的折射率溫度系數(shù)，從而求出各個溫度下不同波長所對應的折射率。2.1.4冰洲石晶體的其他性質冰洲石的比重為 2.7，莫氏硬度為 3。解離極完全，很容易從主菱面體或解理菱面體的平面裂開。斷口面平坦、光滑，并帶有玻璃光澤或珍珠光澤。冰洲石不易熔化，但在水和某些酸中（如鹽酸）易溶解；晶體經灼燒會破裂，立即分解析出CO2。在大氣壓力下，它的分解溫度約等于800。但在1個大氣壓下，其分解溫度會上升至900。2.2冰洲石晶體光學性質的應用2.2.1冰洲石晶體的工業(yè)應用標準工業(yè)上對冰洲石晶體要求嚴格，晶體不允許存在裂隙、裂紋、交錯紋、固態(tài)液態(tài)包裹體、深淺顏色、各種雙晶、蒙罩和節(jié)瘤。主要理化指標有：CaCO3含量：99.90%（0.05%）。比重：2.68-2.72，通常以2.7計。硬度：2.90-3.10，通常以3.0計。透過率：紅外線85%以上，紫外線78%以上（晶體厚3mm）。主要技術指標“六無”：無雙晶：冰洲石為單軸晶體，沒有雙晶線。無顏色：為無色透明體，只允許帶有微量黃、紅、藍、紫等色調。無裂紋：沒有天然或人為的震裂痕跡。無云霧：不允許有像棉一樣的白色霧狀物。無氣泡：沒有細小水珠和液泡包裹體。無節(jié)瘤：沒有影響偏光性能的節(jié)子和爛針。冰洲石按解理后的尺寸和質量要求，劃分為七個技術等級12，詳見表2-3。 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 7頁表 2-3冰洲石的技術等級級別 晶體規(guī)格（mm） 質量要求a.晶體純凈透明；特級 =555550b.允許晶體保留一個自然晶面（外殼）；c.晶體菱角8mm范圍內允許有缺陷，鈍角不允許有缺陷；1 =454545 d.晶體可用范圍內允許有均勻淺色和肉眼可見的少量分散細小包裹體。a.晶體純凈透明；2 =404040b.允許晶體保留一個自然晶面（外殼）；3 =353535 c.晶體菱角5mm范圍內允許有缺陷，鈍角不允許有缺陷；d.晶體可用范圍內允許有均勻淺色、輕微節(jié)瘤和肉眼可見的4 =303030少量分散細小包裹體。a.晶體純凈透明；5 =252525b.允許晶體保留一個自然晶面（外殼）；c.晶體菱角3mm范圍內允許有缺陷，鈍角不允許有缺陷；6 =202020 d.晶體可用范圍內允許有均勻淺色、輕微節(jié)瘤和肉眼可見的少量分散細小包裹體。2.2.2冰洲石晶體光學性質的應用天然冰洲石晶體是制作棱鏡型偏光器件的主要材料，這是單軸晶體雙折射現(xiàn)象的具體應用。資料顯示，現(xiàn)已查明有600余種晶體具有雙折射性質，但是能夠直接用于制作棱鏡偏光器件的不足 10 種。這主要是因為，偏光器件對晶體的要求比較嚴格，一般應滿足如下條件：在使用的光譜區(qū)內有理想的最大雙折射率，且雙折射率均勻；透明度高，無光學級要求的缺陷：裂隙、包裹體、雙晶等缺陷都應控制在指標以內；物化性能穩(wěn)定，易于加工，容易獲得需要的尺寸，不易潮解；抗光損傷閾值高。由于冰洲石晶體在相當寬的波段內吸收系數(shù)趨近于零，透射比高，很好的滿足了偏光器件對晶體的要求，因此冰洲石晶體是制作棱鏡偏光器件的理想材料。利用該晶體制作成的棱鏡偏光鏡，可在 0.22 m 2.8 m光譜區(qū)使用，新設計的分波段使用偏光棱鏡可達15m。棱鏡型偏光器件的設計結構有很多種，目前國內外常用的多達幾十種，其特點和用途各異，但大體上可以分為激光偏光鏡和偏光分束鏡兩大類。（一）激光偏光鏡 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 8頁激光偏光鏡的主要功能是起偏和檢偏，它只輸出一束平面偏振光，而另一束振動方向與之正交的平面偏振光被棱鏡的一界面全反射。激光偏光鏡主要有 Nicol 型和 Glan 型兩種設計結構。Nicol 棱鏡是最早問世的棱鏡型偏光器件，光軸既不平行也不垂直于端面，它很好的利用了冰洲石晶體的自然解理面，可以達到節(jié)省原料的目的。但是這種特殊的結構使得尼科耳棱鏡在使用上存在一些缺陷：光束對通光面非正入射，有一較大入射角，光的反射損失增加，且不便于調整；出射光相對于入射光有較大偏離，轉動棱鏡光束隨之轉動，使用不方便；用加拿大樹膠膠合，抗損傷閾值較低不能用于強激光光路。盡管后來Nicol棱鏡也有了多種改進形式，但是總體性能不及格蘭型棱鏡。所以目前的科研工作中已不再使用該類棱鏡，但它的歷史地位是其他偏光器件所不能代替的，它仍在高校的光學教學中發(fā)揮著重要的作用.圖2.3所示的是Nicol棱鏡的主截面結構和光路圖。圖 2.3 Nicol棱鏡的主截面結構和光路圖Glan型棱鏡的光軸在入射端面內，這種結構要比相同孔徑的Nicol棱鏡耗費更多的冰洲石晶體，但是在光學性能上具有較大視場角和較小長度孔徑比、出射光偏振分布均勻和橫向偏移小、離軸漂移引起的像散小等特點。比較典型的Glan型棱鏡主要有Glan-Thompson棱鏡、Glan-Taylor棱鏡、Lippich棱鏡和Glan-Foucault棱鏡。Glan型棱鏡有空氣隙型和膠合型兩種結構，其中 Glan-Taylor 棱鏡和 Glan-Foucault 棱鏡是空氣隙型的，Glan-Thompson棱鏡和Lippich棱鏡是膠合型的。圖2.4給出了這四種棱鏡的主截面結構及其光路圖。（二）偏光分束鏡偏光分束鏡兼有起偏和分束兩種功能。它是把一束非偏振光分解為振動方向相互正交的兩束平面偏振光，并按一定的分束角同時輸出。比較典型的設計有 Wollaston 棱鏡、Rochon棱鏡和Senarmont棱鏡等。另外，隨著激光技術的發(fā)展，為了滿足激光調制技術的需要，研制出一些混合型棱鏡偏光鏡，如OE雙輸出棱鏡，90分束偏光鏡等。這些棱鏡在Glan-Taylor棱鏡的基礎上,給在膠合界面上全反射的o光設計了輸出界面，把原來反射掉的那一束平面偏振光利用起來，以滿足激光調制技術的需要。由OE雙輸出棱鏡出射的兩線偏振光的夾角約為102，90分束偏光鏡則為90。圖2.5給出了幾種典型的偏光分束鏡的分束光路。其中OE雙輸出棱鏡是空氣隙型的，其他三種是膠合型的。 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 9頁(a)(b)(c)圖 2.4典型的幾種 Glan型起偏棱鏡的主截面結構及其光路圖(d)(a) Glan-Thompson棱鏡(c) Lippich棱鏡(b) Glan-Taylor棱鏡(d) Glan-Foucault棱鏡(a) (b) (d) (c) 圖 2.5 幾種偏光分束鏡的主截面結構及其光路圖(a) Rochon棱鏡(c) Wollaston棱鏡(b) Senarmontr棱鏡(d) OE雙輸出棱鏡 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 10頁2.3冰洲石的合成冰洲石晶體是一種重要的光學材料，因此，多年來國內外有許多研究者對冰洲石晶體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)曾在相對低的溫度下生長方解石單晶（冰洲石）。此外，也有人采用凝膠法、助溶劑法、移帶法和水熱合成法來人工合成冰洲石晶體；而水熱合成被認為是最有希望生長出適合光學應用的冰洲石晶體的方法，它與天然冰洲石在熱液條件下形成是相符的6。一般來說，水熱法合成有限制了 CO2的分解和能在溶液中生長出高質量的晶體兩個優(yōu)點。Ikornikova(1961,1962)曾嘗試在氯化物溶液中進行方解石的水熱合成實驗，但他并未提供晶體生長的細節(jié)及生長晶體的質量； J.F.Balascio等和 D.R.Kinloch(1974)曾提出在K2CO3 與 氯 化 物 溶 液 中 進 行 冰 洲 石 的 水 熱 合 成 實 驗 ；Skinisch,Hirano(1987,1992,1993) Skinisch,Hirano（1987,1992,1993）進行了硝酸鹽()（ NH4NO3）與Ca NH4 ，尤其是 NH4NO3溶液中冰洲石單晶的水熱合成實驗，據(jù)稱可以2生長出適合光學應用的冰洲石單晶，但目前仍未見到可工業(yè)化生產的單晶。冰洲石的合成難度大，主要是由于其合成要求在相對開放的系統(tǒng)中進行，既要相繼供給一定濃度、速度的成礦流體，同時又要求相應地排出CO2和殘余的 H2O，而且在這一行為機制中要求對系統(tǒng)開放，既要減壓，釋放CO2和排出 H2O，又要求在釋放CO2之前一瞬間穩(wěn)壓。冰洲石的合成應該是取得大量且高質量的光學冰洲石材料的重要方法，但是就現(xiàn)階段來說，冰洲石原生礦床的采集和對冰洲石的改善仍然是工業(yè)用冰洲石的重要來源。 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 11頁第3章 有色冰洲石晶體的呈色機理天然的冰洲石晶體常常會帶有某些缺陷，帶有顏色就是其中常見的一類缺陷。天然的冰洲石晶體有時并不是完全無色的，常帶有黃色、茶色、玫瑰色，有時也帶有天藍色、淡紫色以及其他的一些顏色。有色冰洲石晶體的呈色機制到現(xiàn)在還沒有完全弄清楚，并未形成較為系統(tǒng)的理論。查閱資料發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)顏色主要是由于天然的冰洲石晶體內部并不是純凈的，而是含有部分雜質，雜質離子以及色心缺陷的存在會造成對可見光的選擇性吸收，這是到目前為止提出的有色冰洲石晶體呈色的主要原因。3.1礦物的呈色機理3.1.1傳統(tǒng)礦物顏色研究理論在礦物學中，傳統(tǒng)的將礦物的顏色分為自色、他色和假色三類13。自色是指礦物自身所固有的顏色，它的產生與礦物本身的化學成分和內部構造有關。對一種礦物來說，自色總是比較固定的。他色是指礦物因外來帶色雜質的機械混入所染成的顏色。他色的具體顏色將隨混入色素離子組分的不同而異，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顏色。礦物本身的化學成分和內部構造，對這些物理過程的發(fā)生并沒有直接的決定作用14。3.1.2現(xiàn)代礦物顏色研究理論現(xiàn)代顏色理論研究表明，對可見光波選擇性吸收，是礦物呈現(xiàn)顏色的主要原因?？梢姽獾墓獠úㄩL約在 390nm 770nm之間，波長由長至短依次顯示為：紅-橙-黃-綠-青-藍-紫等色，它們的混合色是白色。當白光照射到物體上時，會產生吸收、反射和透射等各種光學現(xiàn)象。如果光全部被物體吸收，物體為黑色；如果白光中所有波長的光被物體均勻吸收，則物體為灰色；若白光基本上不被吸收，則為無色或白色。如果物體只選擇性的吸收某些波長的色光，而反射或透射另一些色光，則物體就會呈現(xiàn)顏色。表 3-1色素吸收光譜范圍及其所顯示顏色之間的對應關系15max/nm400435435480480490490500500560560580580595595605605705吸收光的顏色色素顯示的顏色深度淺紫藍黃綠黃綠藍藍綠綠橙紅紅紫紫黃綠黃藍橙綠藍藍綠紅深 曲阜師范大學碩士研究生畢業(yè)論文第 12頁表3-1表示的是物體吸收光的顏色和被觀察到的顏色之間的互補關系，例如，若物體對白光中的藍光成分有較明顯的吸收，則物體可能會呈現(xiàn)黃色。對同一種光吸收的強弱，會影響所呈現(xiàn)顏色的深淺。這種選擇性吸收單色光的起因十分復雜，它與礦物的化學成分、晶體結構、雜質包裹體等有關。另外，反射、散射、干涉等物理光學作用也會影響物質的呈色?，F(xiàn)代礦物顏色研究理論對傳統(tǒng)的自色、他色和假色的理論進行了很好的解釋，提出了礦物呈色的四種理論16，這些理論主要有：（一）晶體場理論1過渡金屬陽離子內部電子躍遷這是含過渡金屬離子礦物呈色的主要方式。過渡金屬陽離子，也稱色素離子，主要是過渡型金屬元素（Ti,V ,Cr,Mn, Fe,Co, Ni,Cu）Tr和U 等元素由于過渡金屬陽離子周圍陰離子電荷組成的晶體場（靜電場）的作用，使原來屬于同一能級的d或f亞層發(fā)生分裂，使離子外層電子軌道重新排布，如果這時新形成的軌道能量差恰在可見光波范圍內，為維持新的軌道狀態(tài)就得吸收一定波長的可見光，從而使礦物呈現(xiàn)出顏色。在這過程中，電子是在一個離子內部的軌道間發(fā)生躍遷的，而不是從一個離子向另一個離子躍遷的，因此稱為離子內部電子躍遷。在礦物中，進入晶格的色素離子才能使礦物致色。這些離子進人晶格內部，有的是礦物的主要構成元素，有的是類質同象“雜質”，代替部分陽離子。不論是那種情況，所涉及到的色素離子內部電子躍遷的呈色機理是相同的。表 3-2給出的是部分常見的色素離子以及呈現(xiàn)的顏色和常見的礦物的對應關系。同一色素離子在不同的礦物中可能會產生不同的顏色，這與色素離子在礦物中的組分以及礦物的結