晶体光学及光性矿物学课件-晶体光学基础
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▪ 光轴
光波沿非均质体的特殊方向入射时,不 发生双折射,这种特殊的方向称为光轴.
中级晶族具有一个这样的特殊方向,称 为一轴晶矿物;低级晶族具有两个这样 的特殊方向,称为二轴晶矿物.
第一章 晶体光学基础
第Байду номын сангаас节 光 率 体
一.光率体的由来 晶体光学中的许多现象都与光波的振动方向与相 应折射率值有关, 为了更好地反映光波的振动方 向与相应折射率值之间的关系, 引入了物理学中 的光率体的概念.
第二节 光在晶体中的传播特性
▪ 双折射
光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分 解为振动方向互相垂直，传播速度不同，折 射率不等的两种偏光，此种现象称为双折射. 双折射是非均质介质的普遍特征.
C
光通过非均质体分解成二束偏光示意图
第二节 光在晶体中的传播特性
▪ 双折射率
两种偏光折射率值之差称为双折射率.
课程总结与讨论（2）
晶体光学概述
---- 参考书
1. 康维国, 梁万通, 刘亚琴, 晶体光学. 长春: 东北师范 大学出版社,1993
2. 李德惠, 晶体光学. 北京: 地质出版社,1984 3. 北京大学地质学系岩矿室, 光性矿物. 北京: 地质出版
社,1979 4. 孟庆丽,光性矿物学简明教程. 北京: 地质出版社,1985 5. 长春地质学院实验中心, 透明矿物薄片鉴定(二). 校内
晶体光学概述
---- 课程安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第五章 第六章
晶体光学基础（2） 偏光显微镜（2） 单偏光镜下晶体的光学性质（6） 正交偏光镜间晶体的光学性质（6） 锥光系统下一轴晶晶体的光学性质（4） 锥光系统下二轴晶晶体的光学性质（4） 透明矿物系统鉴定（2）
常见透明矿物的系统鉴定（一） （4） 常见透明矿物的系统鉴定（二） （4） 常见透明矿物的系统鉴定（三） （4） 未知矿物系统鉴定 （8）
Ng`
Nm
Nm
Nm
Np`
Ng Np
Np Nm
Nm
Ng Ng`
Ng Ng`
Ng
NmNp Np
Np Nm
第一章 晶体光学基础
第四节 光性方位
指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（No,Ne轴或 Ng,Nm,Np轴）与结晶轴（a,b,c轴）之间的相互关系.
1.高级晶族: 可不考虑其光性方位问题. 2.中级晶族（一轴晶）:结晶轴C轴与光轴Ne轴一致. 3.低级晶族（二轴晶）: （1）斜方晶系（三个主轴分别平行结晶轴） （2）单斜晶系（晶体的b轴与三个主轴之一平行） （3）三斜晶系（三个主轴与三个结晶轴均斜交）
▪ 注意一定要掌握不同切面的特征
⊥OA切面
Nm
∥AP切面
Ng
⊥Bxa（+）切面 ⊥Bxa（—）切面
Nm
Nm
Nm
Np
Np
Ng
Ng
OA
OA
Ng
Ng=Bxa
OA
OA OA
OA
Np=Bxa
OA
OA
Np
Nm
Nm
Np
Np
Ng
Nm
Nm
⊥Bxo（+）切面
Ng
⊥Bxo（—）切面
Np
⊥AP的斜交（+）
Ng`
任意斜交（+）
此时入射角 称为全反射临界角.
当入射角 I 时, 折射光波不再进入折射介
质而全部返回到入射介质, 这种能量的突变 称为全反射.
六. 全反射临界角与全反射
A′ B′ C′
aa a
空气n=1
T
A BC D E V
i
i b′
c′
d′
e′
S O
玻璃块N=2.00 R
临界角与全反射示意图
第一章 晶体光学基础
教材, 1987
晶体光学
第一章 晶体光学基础
第一节 光的基本性质 第二节 光在晶体中的传播 第三节 光率体※ 第四节 光性方位
第一章 晶体光学基础
第一节 光的基本性质
一. 光具有“波粒”两相性
晶体光学主要利用的是光的波动理论.
二.可见光(光波)
可见光是电磁波谱中频率较高,波长范围较短 (390—770nm)的一个区段,由波长不同的七 色光组成.
二. 光率体的概念 表示光波在晶体中传播时, 折射率值随光波振动 方向变化的一种立体几何图形或一种光性指示体. 作法: 是设想自晶体中心起，沿光波振动方向按 比例截取相应的折射率值 ，再把各个线段的端点 连接起来便构成了光率体.
第三节 光 率 体
三.均质体光率体
传播速度不因振动 方向不同而发生改 变, 即折射率值各 方向相等.
结晶轴C轴与光轴Ne轴一致
中级晶族光性方位示意图
三个主轴与三个结晶轴重合
结晶轴b与三个主轴之一重合
斜方晶系(左)单斜晶系(右)光性方位示意图
三个主轴与三 个结晶轴斜交
三斜晶系光性方位示意图
振动面
偏振光的传播和振动方向关系示意图
第一节 光的基本性质
五.光的折射及折射定律
光波的折射现象示意图
第一节 光的基本性质
五.光的折射及折射定律
Sin I Sin A
=
VI VA
= = N 1-2 ( N )
NA NI
N 1-2 : 第二介质对第一介质的介质的相对折射律. N : 介质的(绝对)折射律. 以N表示, N ≥ 1.
A-自然光
B-偏光
光波在均质体中传播示意图
第二节 光在晶体中的传播特性
二. 光性非均质体
特点:光性非均质体的光学性质因方向不同而改变. 包括:中级晶族(一轴晶)和低级晶族 (二轴晶)的矿物. 光波在非均质体介质中的传播特点: 其传播速度因 光波在晶体中的振动方向不同而发生改变. 因而非 均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同 而改变. 即非均质体的折射率值有许多个. 光波进入光性非均质体后的特点及有关术语(下页)
光率体是一个球体， 球体的半径代表该 晶体的折射率.
第三节 光 率 体
四. 一轴晶光率体
(一).推导
A.光波沿 C 轴方向射 入晶体,得到一个
半径为No的圆切面 .
B.光波垂直 C 轴射
入晶体, 得到一个包 含Z轴且半径分别为 Ne和No的椭圆切面
C.联系上面两个切面 . 特征可以得到一轴
晶光率体的构成.
特征有关.
四.自然光和偏振光
自然光: 在垂直光波传播方向的断面内,光波作 任意方向的振动，且振幅相等.
偏振光：在垂直光波传播方向的断面内,光波 只在某一固定方向上振动(只有一个振动面).自 然光转化为偏振光的过程称偏振化.
A.光的传播方向垂直纸面 B.侧视图,长箭头代表光传播方向
自然光的传播和振动方向关系示意图
(三).一轴晶光率体的主要切面类型
(1)垂直光轴切面 (2)平行光轴切面 (3)斜交光轴切面
(1)垂直光轴切面 No
No
(2)平行光轴切面 Ne
No
(3)斜交光轴切面 N/e
No
Ne
No No
No No
Ne
Ne
N/e
No
No
No
No
一轴晶正光性光率体主要切面示意图
第三节 光 率 体
五. 二轴晶光率体 (一). 推导
波长（n m）
10-5
γ射线
可
10-1
1
χ—射线
10
紫外线
见
可见光
103
红外线
105
光
107
短无线电波
放
109
广播波段
1012
大
长无线电波
1015
紫 390（n m） 430
靛 460
蓝
500
绿 570
黄 590
橙 650
红 770
第一节 光的基本性质
三.光波是一种横波
• 光的传播方向与振动方向互相垂直. • 晶体中许多光学现象都与光波是横波这一
第二节 光在晶体中的传播特性
• 光性均质体 光性非均质体
一.光性均质体
特点:光学性质各方向相同（各向同性）. 包括:等轴晶系矿物和非晶质物质. 光波在均质体中的传播特点: 光波的传播速度不 因振动方向※不同而发生改变，即均质体的折射 率不因光波在晶体中的振动方向※不同而发生改 变. 即均质体折射率值只有一个.
晶体光学 及光性矿物学
晶体光学概述
---- 概念 目标 应用
为什么要学习晶体光学 ?
概念: 晶体光学是研究可见光通过透明矿物晶体 所产生的光学现象（颜色、折射、双折射、干涉 等）及其规律的一门科学。
目标: 掌握偏光显微镜下研究、鉴定透明矿物的基 本原理和基本方法；掌握常见矿物的鉴定特征.
应用: 岩石学、矿物学；玻璃、陶瓷、冶金、医 药、化工等生产和科研部门
a=Ng
c=Nm
a=Ng
Ng（a）
1.715
1.680
c
1.651
b= Np
a
b=
Np
1.651
1.715
b
1.680
c= Nm Nm（c）
Np （b）
⊥c
⊥a
⊥b
五. 二轴晶光率体
(二). 主要特征及要素
(1)二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体. (2) 三个光学主轴 (Ng,Nm,Np轴). (3) Ng,Nm,Np(三个主折射率且 Ng＞Nm＞Np). (4) 三个主轴面(彼此之间互相垂直). (5).两根光轴(OA). (6) 光轴面（AP）:包含两根光轴的切面.同NgNp面. (7) 光轴角(2V) :两根光轴所夹的锐角. (8) 锐角等分线(Bxa):两光轴所夹锐角的等分线. (9) 钝角等分线(Bxo):两光轴所夹钝角的等分线. (10) 光性正负: (+) Ng-Nm Nm-Np或 Bxa = Ng
第三节 光 率 体
一轴晶光率体示意图
第三节 光 率 体
(二). 一轴晶光率体的主要特征
一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体. 直立轴(旋转轴)永远是Ne,水平轴永远是No. Ne和 No代表一轴晶光率体最大与最小折射率值,称为主 折射率.其它方向的折射率大小介于Ne和No之间， 以N/e表示。 若NeNo, 称为正光性 ; 若NeNo, 称为负光性 . Ne与No的差值为一轴晶矿物的最大双折射率.
注意: 介质的折射律 N 是介质微观特征的宏观反
映,是物质的固有属性之一, 因此,矿物的折射律是 鉴定矿物的重要光学常数之一.
第一节 光的基本性质
六. 全反射临界角与全反射
根据 Sin I Sin A
=
NA NI
可知
当光波从光密介质入射到光疏介质时, 入射角
I 总是小于折射角 A , 当 A = 90 0时I = ,
(-) Ng-Nm Nm-Np或 Bxo = Ng
五. 二轴晶光率体
(三).二轴晶光率体的主要切面类型
(1) 垂直光轴切面 （OA） (2) 平行光轴面切面（//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
光波沿非均质体的特殊方向入射时,不 发生双折射,这种特殊的方向称为光轴.
中级晶族具有一个这样的特殊方向,称 为一轴晶矿物;低级晶族具有两个这样 的特殊方向,称为二轴晶矿物.
第一章 晶体光学基础
第Байду номын сангаас节 光 率 体
一.光率体的由来 晶体光学中的许多现象都与光波的振动方向与相 应折射率值有关, 为了更好地反映光波的振动方 向与相应折射率值之间的关系, 引入了物理学中 的光率体的概念.
第二节 光在晶体中的传播特性
▪ 双折射
光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分 解为振动方向互相垂直，传播速度不同，折 射率不等的两种偏光，此种现象称为双折射. 双折射是非均质介质的普遍特征.
C
光通过非均质体分解成二束偏光示意图
第二节 光在晶体中的传播特性
▪ 双折射率
两种偏光折射率值之差称为双折射率.
课程总结与讨论（2）
晶体光学概述
---- 参考书
1. 康维国, 梁万通, 刘亚琴, 晶体光学. 长春: 东北师范 大学出版社,1993
2. 李德惠, 晶体光学. 北京: 地质出版社,1984 3. 北京大学地质学系岩矿室, 光性矿物. 北京: 地质出版
社,1979 4. 孟庆丽,光性矿物学简明教程. 北京: 地质出版社,1985 5. 长春地质学院实验中心, 透明矿物薄片鉴定(二). 校内
晶体光学概述
---- 课程安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第五章 第六章
晶体光学基础（2） 偏光显微镜（2） 单偏光镜下晶体的光学性质（6） 正交偏光镜间晶体的光学性质（6） 锥光系统下一轴晶晶体的光学性质（4） 锥光系统下二轴晶晶体的光学性质（4） 透明矿物系统鉴定（2）
常见透明矿物的系统鉴定（一） （4） 常见透明矿物的系统鉴定（二） （4） 常见透明矿物的系统鉴定（三） （4） 未知矿物系统鉴定 （8）
Ng`
Nm
Nm
Nm
Np`
Ng Np
Np Nm
Nm
Ng Ng`
Ng Ng`
Ng
NmNp Np
Np Nm
第一章 晶体光学基础
第四节 光性方位
指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（No,Ne轴或 Ng,Nm,Np轴）与结晶轴（a,b,c轴）之间的相互关系.
1.高级晶族: 可不考虑其光性方位问题. 2.中级晶族（一轴晶）:结晶轴C轴与光轴Ne轴一致. 3.低级晶族（二轴晶）: （1）斜方晶系（三个主轴分别平行结晶轴） （2）单斜晶系（晶体的b轴与三个主轴之一平行） （3）三斜晶系（三个主轴与三个结晶轴均斜交）
▪ 注意一定要掌握不同切面的特征
⊥OA切面
Nm
∥AP切面
Ng
⊥Bxa（+）切面 ⊥Bxa（—）切面
Nm
Nm
Nm
Np
Np
Ng
Ng
OA
OA
Ng
Ng=Bxa
OA
OA OA
OA
Np=Bxa
OA
OA
Np
Nm
Nm
Np
Np
Ng
Nm
Nm
⊥Bxo（+）切面
Ng
⊥Bxo（—）切面
Np
⊥AP的斜交（+）
Ng`
任意斜交（+）
此时入射角 称为全反射临界角.
当入射角 I 时, 折射光波不再进入折射介
质而全部返回到入射介质, 这种能量的突变 称为全反射.
六. 全反射临界角与全反射
A′ B′ C′
aa a
空气n=1
T
A BC D E V
i
i b′
c′
d′
e′
S O
玻璃块N=2.00 R
临界角与全反射示意图
第一章 晶体光学基础
教材, 1987
晶体光学
第一章 晶体光学基础
第一节 光的基本性质 第二节 光在晶体中的传播 第三节 光率体※ 第四节 光性方位
第一章 晶体光学基础
第一节 光的基本性质
一. 光具有“波粒”两相性
晶体光学主要利用的是光的波动理论.
二.可见光(光波)
可见光是电磁波谱中频率较高,波长范围较短 (390—770nm)的一个区段,由波长不同的七 色光组成.
二. 光率体的概念 表示光波在晶体中传播时, 折射率值随光波振动 方向变化的一种立体几何图形或一种光性指示体. 作法: 是设想自晶体中心起，沿光波振动方向按 比例截取相应的折射率值 ，再把各个线段的端点 连接起来便构成了光率体.
第三节 光 率 体
三.均质体光率体
传播速度不因振动 方向不同而发生改 变, 即折射率值各 方向相等.
结晶轴C轴与光轴Ne轴一致
中级晶族光性方位示意图
三个主轴与三个结晶轴重合
结晶轴b与三个主轴之一重合
斜方晶系(左)单斜晶系(右)光性方位示意图
三个主轴与三 个结晶轴斜交
三斜晶系光性方位示意图
振动面
偏振光的传播和振动方向关系示意图
第一节 光的基本性质
五.光的折射及折射定律
光波的折射现象示意图
第一节 光的基本性质
五.光的折射及折射定律
Sin I Sin A
=
VI VA
= = N 1-2 ( N )
NA NI
N 1-2 : 第二介质对第一介质的介质的相对折射律. N : 介质的(绝对)折射律. 以N表示, N ≥ 1.
A-自然光
B-偏光
光波在均质体中传播示意图
第二节 光在晶体中的传播特性
二. 光性非均质体
特点:光性非均质体的光学性质因方向不同而改变. 包括:中级晶族(一轴晶)和低级晶族 (二轴晶)的矿物. 光波在非均质体介质中的传播特点: 其传播速度因 光波在晶体中的振动方向不同而发生改变. 因而非 均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同 而改变. 即非均质体的折射率值有许多个. 光波进入光性非均质体后的特点及有关术语(下页)
光率体是一个球体， 球体的半径代表该 晶体的折射率.
第三节 光 率 体
四. 一轴晶光率体
(一).推导
A.光波沿 C 轴方向射 入晶体,得到一个
半径为No的圆切面 .
B.光波垂直 C 轴射
入晶体, 得到一个包 含Z轴且半径分别为 Ne和No的椭圆切面
C.联系上面两个切面 . 特征可以得到一轴
晶光率体的构成.
特征有关.
四.自然光和偏振光
自然光: 在垂直光波传播方向的断面内,光波作 任意方向的振动，且振幅相等.
偏振光：在垂直光波传播方向的断面内,光波 只在某一固定方向上振动(只有一个振动面).自 然光转化为偏振光的过程称偏振化.
A.光的传播方向垂直纸面 B.侧视图,长箭头代表光传播方向
自然光的传播和振动方向关系示意图
(三).一轴晶光率体的主要切面类型
(1)垂直光轴切面 (2)平行光轴切面 (3)斜交光轴切面
(1)垂直光轴切面 No
No
(2)平行光轴切面 Ne
No
(3)斜交光轴切面 N/e
No
Ne
No No
No No
Ne
Ne
N/e
No
No
No
No
一轴晶正光性光率体主要切面示意图
第三节 光 率 体
五. 二轴晶光率体 (一). 推导
波长（n m）
10-5
γ射线
可
10-1
1
χ—射线
10
紫外线
见
可见光
103
红外线
105
光
107
短无线电波
放
109
广播波段
1012
大
长无线电波
1015
紫 390（n m） 430
靛 460
蓝
500
绿 570
黄 590
橙 650
红 770
第一节 光的基本性质
三.光波是一种横波
• 光的传播方向与振动方向互相垂直. • 晶体中许多光学现象都与光波是横波这一
第二节 光在晶体中的传播特性
• 光性均质体 光性非均质体
一.光性均质体
特点:光学性质各方向相同（各向同性）. 包括:等轴晶系矿物和非晶质物质. 光波在均质体中的传播特点: 光波的传播速度不 因振动方向※不同而发生改变，即均质体的折射 率不因光波在晶体中的振动方向※不同而发生改 变. 即均质体折射率值只有一个.
晶体光学 及光性矿物学
晶体光学概述
---- 概念 目标 应用
为什么要学习晶体光学 ?
概念: 晶体光学是研究可见光通过透明矿物晶体 所产生的光学现象（颜色、折射、双折射、干涉 等）及其规律的一门科学。
目标: 掌握偏光显微镜下研究、鉴定透明矿物的基 本原理和基本方法；掌握常见矿物的鉴定特征.
应用: 岩石学、矿物学；玻璃、陶瓷、冶金、医 药、化工等生产和科研部门
a=Ng
c=Nm
a=Ng
Ng（a）
1.715
1.680
c
1.651
b= Np
a
b=
Np
1.651
1.715
b
1.680
c= Nm Nm（c）
Np （b）
⊥c
⊥a
⊥b
五. 二轴晶光率体
(二). 主要特征及要素
(1)二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体. (2) 三个光学主轴 (Ng,Nm,Np轴). (3) Ng,Nm,Np(三个主折射率且 Ng＞Nm＞Np). (4) 三个主轴面(彼此之间互相垂直). (5).两根光轴(OA). (6) 光轴面（AP）:包含两根光轴的切面.同NgNp面. (7) 光轴角(2V) :两根光轴所夹的锐角. (8) 锐角等分线(Bxa):两光轴所夹锐角的等分线. (9) 钝角等分线(Bxo):两光轴所夹钝角的等分线. (10) 光性正负: (+) Ng-Nm Nm-Np或 Bxa = Ng
第三节 光 率 体
一轴晶光率体示意图
第三节 光 率 体
(二). 一轴晶光率体的主要特征
一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体. 直立轴(旋转轴)永远是Ne,水平轴永远是No. Ne和 No代表一轴晶光率体最大与最小折射率值,称为主 折射率.其它方向的折射率大小介于Ne和No之间， 以N/e表示。 若NeNo, 称为正光性 ; 若NeNo, 称为负光性 . Ne与No的差值为一轴晶矿物的最大双折射率.
注意: 介质的折射律 N 是介质微观特征的宏观反
映,是物质的固有属性之一, 因此,矿物的折射律是 鉴定矿物的重要光学常数之一.
第一节 光的基本性质
六. 全反射临界角与全反射
根据 Sin I Sin A
=
NA NI
可知
当光波从光密介质入射到光疏介质时, 入射角
I 总是小于折射角 A , 当 A = 90 0时I = ,
(-) Ng-Nm Nm-Np或 Bxo = Ng
五. 二轴晶光率体
(三).二轴晶光率体的主要切面类型
(1) 垂直光轴切面 （OA） (2) 平行光轴面切面（//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