晶体光学基础 (1)

全内 反射 光
为什么研究折射率



折射率值的大小是与晶体的化学成分和内部 结构密切相关的，不同矿物的折射率值不同， 因此折射率成为鉴定矿物的重要光学常数之 一。 利用偏光显微镜观察N,可以鉴定矿物的不同 种类. 岩石薄片的许多鉴定特征, 如糙面\突起\贝 克线 等都源自于基本的折射率特征
要点

反射(Reflection)：光从一种介 质射入另一种介质时，在 光滑界面上，如果部分光 仍回到原来的介质中，这 种现象称为光的反射。 反射定律 1. 反射光线位于入射光线与 界面的法线所决定的平面 内; 2. 入射线和反射线分别位于 法线的两侧； 3. 反射角与入射角相等。
反射光在地学中的应用

折射、折射率、临界角的相互关系及其 意义，折射率是用光学方法鉴定透明矿 物最可靠的参数；也是宝石加工的首选 参数。
入射光 折射光 法线
G emst one
临界角
全内 反射 光
第四节 光在均质体与非均质体中的传播
均质体—— 等轴晶系矿物（石榴石） 透明物质(晶体) 非晶质体（火山玻璃） 非均质体——中、低级晶族矿物 光性非均质体
2. 电磁波是横波
电磁波的振动方向与 传播方向互相垂直， 即电磁波是横波，故 光波亦是横波。 光波是横波的概念， 在晶体光学中有不少 现象(单偏光、正交 偏光、干涉)都与此 特征有关。
第一节 光的性质
3. 电磁波波谱
据其波长
波长(nm) 10
-5
390 紫
射线
全部范围: 按波长大－小，划分为:
无线电波 红外线 可见光 紫外线 X 射线
常见造岩物质中的均质体


石榴石 白榴石 萤石 尖晶石 火山玻璃 蛋白石 石盐
二、光性非均质体(各向异性介质)
1.定义：光波射入时，其传播速度随振动方 向不同而发生变化，因而其折射率值也因振 动方向不同而改变，这样的物体称为光性非 均质体，简称非均质体。 非均质体的折射率不只是一个，而是两个或 三个。
第一章 晶体光学基础
第一节 光的性质
光的学说： ●牛顿的微粒说——光是沿直线高速传播的粒子流。
●惠更斯的波动说——光是某种振动以波的形式向 外传播的。 十九世纪末，人们终于认识到：光既有波动性又有 粒子性，即光的波粒二象性。
第一节 光的性质
1.
光是电磁波.
有关参数和公式: v = 3105 km/s (每秒30万公里)
●
R1
N
2) 折射率 定义：光在真空与其他物质中传播速度之 比称为该物质的折射率N： N=V 真空／V 物质=sin i /sin r N真空=1， N空气=1.0003 自然界一切N>=1
R2
O S
i
r
M
引申：光波在介质中的传播速 NM=VAt; OS=VBt 度与介质的折射率成反比； NM/OM=sin i, OS/OM=sin r, 当光线由介质A进入介质B时，则NM/OS=sin i/sin r 有NA=V真空/VA; NB=V真空 因此sin i/sin r=VA/VB=NB-A /VB; VA/VB=NB/NA
e=m ·c2
v = · f
或 f = v / f——Hz，每秒振动次数, 单位 s-1
——波长, 单位nm
波长单位通常用纳米(nm)或埃(Å )，常用长度单位的换算关系为： 1 m (米) =103 mm (毫米) =106 μm (微米) =109 nm (纳米) =1010Å (埃)
第一节 光的性质
光轴—若某一特殊方向，如中级晶族的C轴 方向，e-o重合，则此方向就是光轴方 向。中级晶族－只有1个光轴方向，低 级晶族有2个光轴方向。
3. 双折射率（双折率）
光波射入一轴晶矿物（非均质矿物）时，发 生双折射并分解形成两种偏光: 常 光o —ordinary, 方向垂直C轴, 各个方向 速度和N相同——折射率为No 非常光e —extraordinary,平行C轴与传播方向 构成的平面, 且振动方向不同,速度和N不 同————折射率为Ne 两种偏光的折射率值之差，称为双折射率。 如冰洲石测得折射率为No=1.658, Ne=1.486， 两种折射率值之差为0.172，此值即为冰洲 石的双折率值。
二、光性非均质体(各向异性介质)
2.双折射— 当光波射入非均质体后，除特殊方向以外 一般都将分解成两束折射率不等、振动方向 互相垂直、速度不等的偏光，这种现象称为 双折射现象。 一切具有双折射特征的介质均称为光性非 均质体，双折射是光波通过非均质体的普遍 特征。
举例：冰洲石的双折射现象
双折射现象可通过冰洲石来做实验(图 1-15)，如果将冰洲石的一个解理面 盖在有一个黑点的纸上，透过冰洲 石则出现两个黑点，再在纸面上转 动冰洲石时，发现其中一个黑点o 始终不动，而另一个黑点e则围绕 这个不动的黑点o作圆周运动。若 将平躺的冰洲石慢慢以菱形的短轴 (C轴)直立，则黑点e向黑点o靠拢， 甚至两点互相重合起来，说明光波 沿C轴入射不发生双折射，这个特 殊方向称为光轴。
摄影方面：
过滤杂光－滤光片，只让某一方向的光通过——————就是偏光化作用 过滤杂色－滤色片，只让 某种颜色光通过，如蓝色，大海和天空
第三节 光的反射与折射
一、光的直线传播
光在同一种物质中传播的路线是呈直线 的，称为光的直线传播定律(如阳光照进 房里、夜间手电筒的亮光传播)
二、光的反射及反射定律
二、均质体光率体
1. 均质体包括高级晶族的等轴晶系矿物 (a=b=c, α=β=γ=90°)及非晶质物 质。
2. 光率体特征: 形状——圆球体 各个方向折射率值唯一 ——N 任何方向切面——都是圆切面，其半径为 折射率值N
需要强调：切面均指过光率体中心的切面
三、一轴晶光率体
1.一轴晶定义：光波在非均质体中传播时，只有沿某 一个特殊的方向才不会发生双折射，这个方向称为 光轴，这样的晶体称为一轴晶。
光率体的制作

设想自晶体的中心 起，沿光波各个振 动方向，以线段的 方向表示光波的振 动方向，以线段的 长短按比例表示折 射率值的大小，然 后将各线段的端点 连接起来构成一立 体形态，称之为光 率体。
光率体是虚幻的

你们不要指望 从超新星爆炸 的碎片中找到 光率体的踪影。
光率体是实实在在的

虽然我们看不 见它，却能感 觉到、用科学 的方法测定出 来
截面为圆，半径为振幅
2. 偏光


偏光—自然光经过反射、折射、双折射或选择性 吸收等作用后，可以转变为只在一个方向上振动 的光波，称为偏振光或偏光。 振动面—偏光振动方向与传播方向所构成的平面 称为振动面。
3. 偏光化作用
偏光化作用—将自然光转变为偏光的作用。
晶体光学研究：
偏光显微镜－岩石矿物薄片－观察偏光下的特征
光性均质体


均质体包括等轴晶系矿物(如尖晶石、石榴石、萤石 等)和非晶质体(如火山玻璃、树胶等)，它们的光学 性质在各方向相同，称为光性均质体。 非均质体包括中级晶族和低级晶族的矿物(如石英、 橄榄石、辉石、角闪石、长石等)，其光学性质随方 向而变化，称为光性非均质体。
一、光性均质体(各向同性介质)

反射现象与反射 率是非常重要的, 特别是在金属矿 物与宝玉石行业， 非常有用。 矿相学：反光显 微镜, 对不透明 的金属矿物, 例 如方铅矿、闪锌 矿等。 不透明的金属矿物反射图像
三、光的折射及折射定律
1、定义：光线从一种 介质进入另一种介 质，在界面处传播 方向便会发生改变， 即入射光线和折射 光线不在一直线上， 这种现象称为光的 折射(Refraction).
4. 光性与晶族的关系
三方晶系－冰洲石，水晶 中级晶族（一轴晶） 四方晶系－锆石 六方晶系－绿柱石，磷灰石
斜方晶系－Ol 低级晶族（二轴晶） 单斜晶系－透辉石 三斜晶系－Pl
光性非均质体－源自晶体内部结构差异，包括离子种类、键性、 离子排列形式、堆积紧密程度等。
第五节 光率体
一、光率体定义：光率体是表示光 波在晶体中传播时，光波振动方 向与相应折射率值之间关系的一 种光性指示体。 光率体是表示光波在晶体中各 振动方向上折射率和双折率变化 规律的一个立体几何图形。
频率 增大 能量 增大
1015-10-5nm
靛 蓝 绿 黄 橙
446 464 500
1
X射线 紫外线 可见光 红外线
10
5
短无线电波
578 592 620
1010
广播波段
红
长无线电波
射线, 等
10
15
770
第二节 自然光和偏光
根据光波振动的特点，可以把光分为自然光和偏光。 1. 自然光：指直接由太阳或光源发出的、在垂直于光 波传播方向的平面内作全方向、等振幅振动的光。
3、光性符号
一轴正晶，标记为：一（＋）
Ne＞No， 如 石英 定义：旋转轴为长轴Ne，呈沿C轴拉长 的光率体。光波平行于C轴振动时 的折射率总是大于垂直于C轴振动 的折射率，即Ne＞No，这种光率体 称为一轴晶正光性光率体，相应的 矿物称为一轴晶正光性矿物，或一 轴正晶。
一轴负晶，标记为：一（－）
四、全反射

当光线由B射入A，如果 入射角增至一定角度， 使折射角等于90°，这个 入射角称为全反射(Total reflection) 临界角，简称 临界角；入射角大于全 反射临界角的所有入射 线均发生全反射。

i = , r=90 i> , 全反射
四、折射率与临界角的关系及其应用
NB sin i=NA sin r
法线 入射角－ i 折射角－ r
2、折射定律 1) 折射线处于入射线 与法线构成的平面 内； 2) 入射线与折射线分 别位于法线两侧, 若光疏-光密, i>r, 反之光密-光疏, i<r.