宝石折射率图式的形成机理及均质体_一轴晶宝石的折射率图式

第14卷　第3期山　西　矿　业　学　院　学　报V o l114　N o13 1996年9月SHAN X IM I N I N G I N ST ITU T E L EA RN ED JOU RNAL Sep.1996

宝石折射率图式的形成机理

及均质体、一轴晶宝石的折射率图式

樊行昭①

(资源与环境工程系)

摘　要　折射率是鉴定宝石的重要依据,折射率图式是确定宝石晶体光学参数

必不可少的基本图件。本文根据折射仪的工作原理,以晶体光学中光率体的理论为

基础,系统地阐述了宝石折射率图式的形成机理及均质体、一轴晶宝石的折射率图

式。

关键词　宝石折射仪;光率体;折射率图式

中图分类号　P575;P585

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0　引　言

折射率是宝石的重要光学常数,是鉴定宝石的主要依据之一。测量折射率值所使用的仪器是宝石折射仪,其操作的基本方法是,将欲测宝石的某一刻面在测台上按一定的间隔水平地旋转360°(或180°),测量并记录与每一水平角度对应的两个折射率值,以宝石旋转的水平角度为横坐标,以对应的折射率值为纵坐标作图,便形成两条(或一条)曲线或直线,这就是折射率图式。一般来说,不同的宝石,折射率值不会完全相同;不同晶族的宝石,折射率图式有别;即使是同一种非均质体宝石,随所测刻面方向的不同,折射率图式也各异。因此,从折射率图式上可以知道宝石是均质体或非均质体。对于非均质体宝石,不仅可以确定最大折射值、最小折射率值和最大双折射率值,而且可以判定轴性(一轴晶或二轴晶)及光性符号(正光性、负光性或无光符)。所以,折射率图式是判释宝石晶体光学参数必不可少的基本图件。

人们在长期的折射率测量实践中已经建立了宝石折射率的主要图式,但由于宝石在加工过程中,台面及其它刻面的取向有时是随机的,可能是原石的任何方向,因此,目前所建立的折射率图式尚不全面,从而导致某些测量结果的错误解释。对于二轴晶宝石,人们不完全清楚任何刻面均可测到最大及最小折射率值,故只好转换刻面重新测量,加大了测量的工作

①本文作者:樊行昭,男,38岁,山西矿业学院资源与环境工程系,讲师,030024

文稿收到日期:1995—04—06

量。在折射率图式的成因解释方面,折射率面理论固然是解释其成因的一种简单而可靠的方法,但由于是间接解释,并且仅是有限的几种图式,故难以被广大的宝玉石工作者所理解和接受。而用光率体理论来解释,较容易被人们理解和接受。为此,作者根据折射仪的工作原理,以晶体光学中光率体的理论为基础,采用图解的形式,系统地、全面地阐述宝石中可能出现的折射率图式以及宝石、入射光方向、光波振动方向、折射率值大小与折射率图式之间的内在关系。由于二轴晶宝石的折射率图式复杂多样,限于篇幅,另文专门叙述,本文仅阐述宝石折射率图式的形成机理及均质体、一轴晶宝石的折射率图式。

1　宝石折射率图式的形成原理

根据光率体理论分析折射率图式的基本原理是,光线射入均质体宝石的任何刻面或非均质体宝石平行于光轴方向后,入射光波的振动方向不改变,仅折射率值的大小发生变化,光波的振动面为垂直于光线传播方向的圆面;而光线射入非均质体宝石(除特殊方向外)后,被分解成振动方向互相垂直、折射率值不等,并且垂直于光线传播方向的两种偏光,它们所构成的平面为椭圆面。当光线平行于宝石晶体的某一刻面从360°方向依次入射时,相当于在宝石晶体的光率体中切出了无数个垂直光线传播方向的椭圆(或圆)切面,分析这些切面上光波的振动方向及折射率值的大小,就可获得该刻面方向的折射率图式。

对于均质体宝石,光率体为球体,折射率图式简单。而对于非均质体宝石而言,由于光率体为旋转或非旋转椭球体,因而不同刻面方向的光学性质必定不会完全相同,相应的折射率图式亦不同;同时,又由于不同刻面之间光波的振动方向和传播速度均受到光率体参数的制约,因此各刻面之间必定存在着某种必然的内在联系,并且条件改变到一定程度时又可以互相转化,从而使各折射率图式之间可以互相转化。综上所述,只要抓住宝石折射仪的光学原理和工作原理,以光率体的原理为基础,设计合理的分析方案,就能找到宝石所有可能的折射率图式,并且保证分析结论的准确可靠性。

2　宝石折射仪的光学原理及光线在宝石中的传播方向

宝石折射仪是根据光的全反射原理设计而成的,其光学原理如图1所示。它主要由半球图1　宝石折射仪的光学原理

形铅玻璃(N =1181)或梯形立方氧化锆(N

=21150)测台、刻度尺、目镜及套在目镜上

的偏光分析镜等组成。

当光线由光密质的铅玻璃进入光疏质的

宝石时,如果光线的入射角稍大于宝石的全

反射临界角(Υ

),就形成全反射,光线返回铅玻璃内,并在目镜中形成亮区,而入射角小

于宝石全反射临界角的光线被折射进宝石,并在目镜中形成暗区,目镜中亮暗之分界的

读数就是宝石的折射率值(图1)。在读取折射率值时,需转动偏光分析镜90°.如果宝石为均质体任何方向或非均质体平行于光轴的方向,转动偏光分析镜90°,所得到的两个折射率值相

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等;如果宝石为非均质体(除平行于光轴)任何方向,转动偏光分析镜90°,可得到大小不等的两个折射率值。

然而,全反射光在宝石与测台的接触界面上是如何传播和振动呢?根据电动力学中电磁波斜向射入非导电边界平面及电磁波的全反射原理,光线的反射点位于宝石与测台的接触面上,该点的切线方向就是光线在宝石中的传播方向(图2,圆圈中的黑点表示光波垂直纸面振动;双箭头表示光波平行纸面振动)。即可以看作光线平行于接触面并沿测台面长轴方向传播。所有大于宝石全反射临界角的一束楔形入射光,毫无例外地均沿这一切线方向传播(图3)。在光线反射点,入射光被非均质体宝石(除入射光平行光轴方向外)分解形成振动方向垂直、折射率值不等并且垂直于光线传播方向的两种偏光。这两种偏光所构成的椭圆面垂直于测台面的长轴方向,即光率体椭圆面垂直于测台的长轴方向(图4)。该椭圆面的长、短半径之方向就是光波的振动方向,其长度就是该方向的折射率值。表现宝石光学性质的反射光进入目镜后,通过转动偏光分析镜90°,就可以分别检测出这两种偏光的折射率值

。

图2　光在宝石中的传播方向 及光波振动方向图解 图3　折射仪测台上光线的反射点及光的传播方向 图4　折射仪测台上宝石 的光率体切面

图6　均质体宝石的折射率图式

3　均质体宝石的光率体及其折射率图式

均质体宝石的光率体为一圆球体(图5)。通过球体中心任何方向的

切面均是圆面,故光线在均质体中传播时,光波向四周各个方向振动,传

播速度不变,折射率值相等。测试时,无论如何转动宝石及偏光分析镜,

折射率值均相同,相应的折射率图式为一条水平线(图6)。

4　一轴晶宝石的光率体及其折射率图式

一轴晶宝石的光率体是一个以Z 晶轴为旋转轴的旋转椭球体。它有

最大和最小两个主折射率值,分别以N e 和N o 来表示。光波振动方向平

行于Z 轴时,相应的折射率值为N e ;光波振动方向垂直于Z 轴时,相应的折射率值为N o ;光波振动方向斜交Z 轴时,相应的折射率值递变于N e 与N o 之间,以符号N ′

e 表示。N ′e 值的大小随光波振动方向与Z 轴的夹角大小而变化。光波振动方向与Z 轴夹角较小时,N ′e 接近N e ;随着夹角的逐渐增大,N ′e 逐渐向N o 接近,该夹角等于90°时,折射率值等于N o .N e 与N o 的差值为一轴晶宝石的最大双折射率值。一轴晶宝石的光率体有正负之分,当N e >N o 时,为正光性(图7);当N e

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