晶體光學(xué)基礎(chǔ)

晶體光學(xué)及光性礦物學(xué)

(CrystalOpticsandOpticalMineralogy)

晶體光學(xué)是借助偏光顯微鏡來研究可見光通過透明礦物晶體所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象（顏色、折射、雙折射、干涉等）及其規(guī)律的一門科學(xué)。第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)光的基本性質(zhì)第二節(jié)光在晶體中的傳播※第三節(jié)光率體※第四節(jié)光性方位第一節(jié)光的基本性質(zhì)光(波)具有“波?！眱上嘈跃w光學(xué)主要利用的是光的波動(dòng)理論.光(波)是一種電磁波電磁波譜中頻率較高,波長范圍較短(390—770nm)的一個(gè)區(qū)段,由波長不同的七色光組成.光(波)是一種橫波光的傳播方向與振動(dòng)方向互相垂直。晶體中許多光學(xué)現(xiàn)象都與光波是橫波這一特征有關(guān).10-11101031051071091012101510-5波長（nm）γ射線χ—射線紫外線可見光紅外線短無線電波廣播波段長無線電波可見光放大紅橙黃綠藍(lán)靛紫390（nm）430460500570590650770第一節(jié)光的基本性質(zhì)自然光和偏振光自然光:

在垂直光波傳播方向的斷面內(nèi)，光波作任意方向的振動(dòng)，且振幅相等.偏振光：在垂直光波傳播方向的斷面內(nèi)，光波只在某一固定方向上振動(dòng)(只有一個(gè)振動(dòng)面)。自然光轉(zhuǎn)化為偏振光的過程稱偏振化。第一節(jié)光的基本性質(zhì)自然光和偏振光特點(diǎn)示意圖自然光振動(dòng)面偏振光第一節(jié)光的基本性質(zhì)光的折射與介質(zhì)的折射率N1-2

：第二介質(zhì)對(duì)第一介質(zhì)的相折率。若第一介質(zhì)為真空，則N1-2為介質(zhì)的(絕對(duì))折射律（N）。N≥1。

N：微觀特征的宏觀反映；物質(zhì)的固有屬性；重要的光數(shù)。=N1-2

Sin

Sin

VBVANANB==M

VA

玻璃塊BNB=2.00空氣ANA=1.00NOPP′VB第二節(jié)光在晶體中的傳播

晶體（介質(zhì)）可分兩類：光性均質(zhì)體和光性非均質(zhì)體光性均質(zhì)體特點(diǎn)：光學(xué)性質(zhì)各方向相同（各向同性）。包括：等軸晶系礦物和非晶質(zhì)物質(zhì)。光波在均質(zhì)體中的傳播特點(diǎn):

光波的傳播速度不因振動(dòng)方向※不同而發(fā)生改變，即均質(zhì)體的折射率不因光波在晶體中的振動(dòng)方向※不同而發(fā)生改變.

即均質(zhì)體折射率值只有一個(gè)。光波在均質(zhì)體中傳播示意圖A-自然光B-偏光第二節(jié)光在晶體中的傳播光性非均質(zhì)體特點(diǎn)：光學(xué)性質(zhì)因方向不同而改變。包括：中級(jí)晶族和低級(jí)晶族的礦物。光波在非均質(zhì)體介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)：

（1）光波傳播速度因在晶體中的振動(dòng)方向不同而發(fā)生改變。因而非均質(zhì)體的折射率也因光波在晶體中的振動(dòng)方向不同而改變。即非均質(zhì)體的折射率值有許多個(gè)。

（2）光波進(jìn)入光性非均質(zhì)體后，除特殊方向外，都要發(fā)生雙折射。相關(guān)術(shù)語解釋見下頁光波射入非均質(zhì)體，除特殊方向外，都要分解為振動(dòng)方向互相垂直，傳播速度不同，折射率不等的兩種偏光，此種現(xiàn)象稱為雙折射.雙折射是非均質(zhì)介質(zhì)的普遍特征.光通過非均質(zhì)體分解成二束偏光示意圖

雙折射C兩種偏光折射率值之差稱為雙折射率.

雙折射率

光軸光波沿非均質(zhì)體的特殊方向入射時(shí)，不發(fā)生雙折射，這種特殊的方向稱為光軸。中級(jí)晶族具有一個(gè)這樣的特殊方向，稱為一軸晶礦物；低級(jí)晶族具有兩個(gè)這樣的特殊方向，稱為二軸晶礦物。第三節(jié)光率體1.光率體的由來晶體光學(xué)中的許多現(xiàn)象都與光波的振動(dòng)方向與相應(yīng)折射率值有關(guān)，為了更好地反映光波的振動(dòng)方向與相應(yīng)折射率值之間的關(guān)系，引入了物理學(xué)中的光率體的概念。2.光率體的概念表示光波在晶體中傳播時(shí),折射率值隨光波振動(dòng)方向變化的一種立體幾何圖形或一種光性指示體。3.光率體的作法:

設(shè)想自晶體中心起，沿光波振動(dòng)方向按比例截取相應(yīng)的折射率值，再把各個(gè)線段的端點(diǎn)連接起來便構(gòu)成了光率體.第三節(jié)光率體4.均質(zhì)體光率體

傳播速度不因振動(dòng)方向不同而發(fā)生改變,即折射率值各方向相等.光率體是一個(gè)球體，球體的半徑代表該晶體的折射率.第三節(jié)光率體5.一軸晶光率體

5.1推導(dǎo)A.光波沿C軸方向射入晶體,

得到一半徑為No的圓切面。B.光波垂直C軸射入晶體，得到一包含Z軸且半徑分別為

Ne和No的橢圓切面。C.

聯(lián)系上面兩個(gè)切面特征可以得到一軸晶光率體的構(gòu)成。第三節(jié)光率體5.一軸晶光率體

5.2主要特征（1）一軸晶光率體是一個(gè)以C軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球體.（2）直立軸(旋轉(zhuǎn)軸)永遠(yuǎn)是Ne,水平軸永遠(yuǎn)是No.（3）Ne和No代表一軸晶光率體最大與最小折射率值，稱為主折射率。其它方向的折射率大小介于Ne和No之間，代號(hào)Ne′。Ne與No的差值為一軸晶礦物的最大雙折射率。（4）若Ne

No，稱為正光性；若Ne

No,稱為負(fù)光性。第三節(jié)光率體5.一軸晶光率體

5.2主要切面類型及特征（1）垂直光軸切面（2）平行光軸切面（3）斜交光軸切面

各個(gè)切面特征見圖示NeNo入射光方向NoNoNoNeNoNo入射光方向NoNeNoNoNoN/e入射光方向N/eNeNoNo一軸晶正光性光率體主要切面示意圖(1)垂直光軸切面(2)平行光軸切面(3)斜交光軸切面6.二軸晶光率體

1.6511.715b=Np⊥ca=Ngc1.6801.651⊥ac=Nmb=Npa1.6801.715⊥ba=Ngc=NmbNg（a）Np（b）Nm（c）第三節(jié)光率體6.1推導(dǎo)（略）第三節(jié)光率體6.二軸晶光率體

(1)三軸不等的橢球體。(2)

三個(gè)光學(xué)主軸（Ng、Nm、Np軸）。(3)

Ng、Nm、Np（三個(gè)主折射率且Ng＞Nm＞Np）。(4)

三個(gè)主軸面(彼此之間互相垂直)。(5)兩根光軸(OA)。6.2主要特征（要素）6.二軸晶光率體

6.3相關(guān)術(shù)語第三節(jié)光率體(6)

光軸面（AP）：包含兩根光軸的切面。同NgNp面。(7)

光軸角(2V)：兩根光軸所夾的銳角。(8)

銳角等分線(Bxa)：兩光軸所夾銳角的等分線。(9)

鈍角等分線(Bxo)：兩光軸所夾鈍角的等分線。(10)

光性正負(fù):(+)Ng-Nm

Nm-Np或Bxa=Ng(-)Ng-Nm

Nm-Np或Bxo=Ng6.二軸晶光率體

6.4主要切面類型及特征第三節(jié)光率體(1)垂直光軸切面（

OA）(2)平行光軸面切面（//AP）(3)垂直Bxa切面：（+）NmNp面（－）NgNm面(4)垂直Bxo切面：（+）NgNm面（－）NmNp面(5)斜交切面：Ng’Np’面各個(gè)切面特征見圖示NmNmNgNpNmNmNgNpNgNgNg=BxaNp=BxaOANmNpNpOAOAOAOAOAOAOANmNpNmNg⊥OA切面∥AP切面⊥Bxa（+）切面⊥Bxa（—）切面NmNmNmNmNgNpNmNmNg`Np`Ng`NgNgNgNg`Ng`NpNpNpNmNmNpNpNg⊥Bxo（+）切面⊥Bxo（—）切面⊥AP的斜交（+）任意斜交（+）

指光率體在晶體中的位置，即光率體主軸（No、Ne軸或Ng、

Nm、Np軸）與結(jié)晶軸（a、b、c軸）之間的相互關(guān)系.第四節(jié)光性方位1.高級(jí)晶族：可不考慮其光性方位問題.2.中級(jí)晶族（一軸晶）：結(jié)晶軸C軸與光軸Ne軸一致。3