晶体光学基础
第一章晶体光学基础
§5 光率体
一、均质体的光率体
光在均质体中传播时，无论振动方向如何，折 光率值相等。 图形特点：均质体光率体是以折光率值为半径的圆 球体（包括：等轴晶系矿物和玻璃质）。 均质体的光 率体的切面
Bxa“//”Ng，Ng=Bxa，Bxo一定“//”Np，即 Bxo= Np。相应的矿物叫二轴晶正光性矿物。
2.二轴晶负光性光率体（-）： 当Ng-Nm＜Nm-Np时，为负光性光率体。
Bxa=Np，Bxo=Ng。 相 应 的 矿 物 叫 二 轴 晶 负 光 性 矿物。
二 轴 晶 光 率 体
三、二轴晶光率体
微观结构不同，折光率值是透明鉴定矿物最可 靠的常数之一。
三、全反射及其临界角
1.全反射临界角 当光从光密介质射入光疏介
质，折射光线沿界面传播时相应 的入射角叫全反射临界角。
2、产生全反射的必要条件 ①从光疏介质射入光密介质。 ②入射角≥全反射临界角。
3、阿贝折光仪的制成原理 如果玻璃块上方介质为n，反射
1 nm=10 Å =10-3μ（微米） =10-6mm（毫米）
§2 自然光和偏光
根据光波的振动特点，把光可分为自然 光和偏光。 自然光：是指直接由光源发出的光，自然 光的光波振动方向在垂直于光波传播方向 的平面内，作任何方向的等振幅的振动。 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 个固定方向上振动的光波，称为偏振光或 偏光。
Vi/ Vγ= Sinⅰ/ Sinγ=N ……..…..③
当两种介质一定时，N值永远是一个常数， 我们把N称为折射介质对入射介质的相对折射 率，当入射介质是真空时，称N为绝对折射率 ，简称折射率或折光率。我们把③式为折射定 律。
晶体光学基础理论
成绩评定
1．实验课，实验报告 20％
2．未知鉴定
20％
3．闭卷考试
60％
第一讲 晶体光学基础知识
晶体光学主要是研究可见光通过透明矿物晶体时的一些光学现 象及其变化规律，由于不同的晶体其光学性质不同（光学各向 异性），从而可以通过 其不同的光学特征鉴定矿物
本讲主要内容
●光学基本知识 ●光率体 ●光性方位 ●色散
二轴晶光率体正光性：Bxa = Ng ( Bxo = Np ) 光轴角 2 V < 90度 二轴晶光率体负光性：Bxo = Ng ( Bxa = Ng ) 光轴角 2 V > 90度
偏光显微镜技术
二轴晶光率体的切面类型
A. 垂直OA的切面 B. 平行OAP的切面 C. 垂直Bxa的切面（＋） D.垂直Bxa的切面（－） E. 垂直Bxo的切面（＋） F. 垂直Bxo的切面（－） G.任意斜交切面 H.垂直OAP的斜交切面
A:一轴晶正光性矿物的光性方位，B：一轴晶负光性矿物的光性方位
偏光显微镜技术
●低级晶族矿物的光性方位
斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系
A: 斜方晶系矿物的光性方位 B：单斜晶系矿物的光性方位 C：三斜晶系矿物的光性方位
ห้องสมุดไป่ตู้
第四节 色散
在物理学中，色散是指白光（复色光）通过透明物质 后分解为单色光而形成红、橙、黄、绿、蓝、青、紫 连续光谱的现象。 ●白光是由多种色光组成。 ●透明物质对不同波长光波的折射率是不同的。
晶体光学 &
光性矿物学
主讲：
绪论
一、晶体光学
是研究可见光通过透明矿物晶体 所发生的折射、偏振、干涉、吸收,、 色散等一系列光学现象的基础学科； 是介绍用偏光显微镜在岩石薄片中测 定透明矿物光学性质的基本原理和基 本方法的应用学科
光的偏振和晶体光学基础工程光学课件
wt
Ey /2
Ey(/4)
kz=0
wt
Ey
wt=0
Ex
wt=/4
wt=/2 A
Ex Ax cos( kz wt ) Ey Ay cos( kz wt 2 ) 当＝0时，是线偏振光。
所以任意一个偏振光都可表示为:
E~
x0
Ax
eikz
y0
Ay
ei(
kz
)
＝[
x0
,
y0
]
出射光： E＝E~1＋E~2
光强：I＝A2 cos2 A2 sin 2 sin 2 sin2 n0 ne d
当＝ / 4, 3 4时，
I＝A2 sin2 n0 ne d
（二）应用
1.光弹性效应
材料的 n0 ne 随材料承受的压力而变化，因而用条纹 分布来测量压力分布。
把其中的波片变为光弹性材料。
x
y 光轴
x
1振动方向分解
E~x Acos ，E~y A sin
2通过波片
E~x Acos ，E~y A sin • ei
其中：＝
2
no
ne
d
3通过检偏器
E~x向光轴上的分解: E~1＝E~x cos Acos cos
E~y向光轴上的分解: E~2＝E~y sin A sin sin
x0
,
y0
其中：
E＝aa
x y
ei1 e i 2
＝a x e i1
1
a
y
ax
e
i（
2－1）为琼斯矢量。
通常将上式归一化，有
1
E＝
ax ax ay
a
02晶体光学基础(二)
如果Ne、No随入射光波波长改 变的变化幅度不相同；可能有两种 情况。当Ne、No随入射光波波长增 大而变化幅度减小时，Ne、No色散 曲线之间的间距向波长增大方向变 小(图B)。各单色光光率体的Ne轴 与No轴长短差距变小，其双折率随 入射光波波长增大而减小。 当Ne、No随入射光波波长增大 而变化幅度增大时，Ne、No色散曲 线之间的间距向波长增大方向加大 (图C)。各单色光光率体的Ne轴与 No轴长短差距变大，其双折率随入 射光波波长增大而增大。在这两种 情况中，各单色光的光率体不仅大 小不同，而且旋转椭球体的长短轴 之比发生改变。
现以斜方晶系矿物镁橄榄石 为例说明二轴晶光率体的构成。 当光波沿镁橄榄石z晶轴方向 射入晶体时，发生双折射，分解 形成两种偏光。其一振动方向平 行X晶轴，测得相应的折射率值等 于1.715；另一种偏光振动方向平 行Y晶轴，测得相应的折射率值等 于1.651。在x晶轴方向上，由中 心向两边按比例截取折射率值 1.715，在y晶轴方向上，由中心 向两边按比例截取折射率值1.651； 以此二线段为长短半径构成垂直 入射光波(垂直z晶轴)的椭圆切面。
当 Ng-Nm ＜ Nm-Np 时 ， 为负光性。此时， Nm 值比 较接近 Ng 值，以 Nm 为半径， 在 Ng 轴与 Np 轴之间所作的 两个圆切面，必定更靠近 Ng 轴；而垂直两个圆切面 的两个光轴必更靠近 Np 轴。 因此，两个光轴之间的锐 角等分线必为Np轴。 由上述情况可知，二 轴晶矿物的光性符号也可 根据BXa是Ng轴还是Np轴确 定。当Bxa＝Ng时，为正光 性；Bxa＝Np时，为负光性。
2、低级晶族晶体的光性方位 低级晶族晶体(二轴晶)的 光率体为三轴椭球体，具有三 个互相垂直的三次对称轴(主 轴)，三个对称面(主轴面)和一 个对称中心。其对称要素与斜 方晶系晶体的对称要素(3L23PC) 相同。因此，斜方晶系晶体的 光性方位是：光率体的三个主 轴与晶体的三个结晶轴一致。 究竟是哪一个主轴与哪一个晶 轴一致，因矿物不同而不同， 如黄玉是Np＝X，Nm＝Y，Ng＝Z。
晶体光学一、二
4、光性正负 、 与一轴晶光性正负的确定有所不同，二轴晶光性正负取决于： 当Ng－Nm ＞Nm－Np （＋）。此时Nm 比较接近Np ，两个 圆切面靠近Np ，光轴则接近Ng 。所以Ng 为 Bxa 、Np 为 Bxo 。 当Ng－Nm ＜Nm－Np （－）。此时Ng为Bxo。Np为Bxa。
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无论光性如何， 无论光性如何， ⊥Bxa 切面的双折率总是小于 ⊥Bxo 切面上的 双折率。 双折率。 证明：（＋） Ng－Nm ＞ Nm－Np （⊥Bxo） （⊥Bxa） （－） Ng－Nm ＜ Nm－Np Bxa Bxo （⊥Bxa） （⊥Bxo） （5）斜交切面： 即不垂直主轴，也不垂直光轴。 a、半任意斜切面（垂直于一个主轴面的斜交切面），椭圆， 有一个半径为主轴。另一个为Ng’或Np’，比较重要的是⊥NgNp 面 （AP）的切面。含Nm。 b、任意斜交切面， 椭圆，半径为Ng’、Np’，双折率介于 O 与Ng－Np 之间。
2、一轴晶光率体的主要切面
岩矿鉴定中常 应用的是晶体不 同方向上的切面 （薄片切面）。 所以必须对光率 体几种主要切面 的形状和切面半 径所表示的折射 率值十分熟悉。
（1）⊥OA切面： 不发生双折射，不改变特点。 圆，半径为Ne ，一轴晶仅有一个。（过球心，⊥Z轴） （2）∥OA切面： 分解为两种偏光，平行两个半径。 椭圆：（＋）长半径为Ne，短No , （－）长半径为No，短Ne， 双折率为（Ne－No）,为最大双折率。 （3）斜交光轴切面（最常见） ：分解成两种偏光。 椭圆，（＋）长Ne＇，短No , （－）长No, 短Ne＇， 双折率为No与Ne＇之差，大小介于0与（Ne－No）之间。 小结：初步可知，应用光率体，可以确定光波在晶体中 的传播方向（波法线方向）、振动方向及相应折射率值之 间的关系。⊥OA方向的切面；圆，不发生双折射，非⊥OA 方向，双折射。椭圆，椭圆半径方向为振动方向。长度表 示n值，二者差为双折率。
材料研究方法--晶体光学基础
二轴晶光率体
光性：正负取决于Bxa是Ng 还是Np Bxa = Ng （+） Bxa = Np （-） Bxa究竟是Ng还是Np取决于Ng、Nm、Np相 对大小
tgV = Nm − N p N g − Nm
（+）
tgV =
N g − Nm Nm − N p
(-)
二轴晶光率体
一轴晶光率体是二轴晶光率体2V=0时的 特殊情况。 物理量的渐变导致晶体光学性质发生质 变的过程。
画有黑点的纸分别放在玻璃和冰洲石下，垂直往下看： 玻璃：1个点；转动玻璃，点的位置不动。 冰洲石：2点（点的距离与冰洲石厚度有关）；转动冰 洲石，1点不动，1点随之转动。
光性均质体
等轴晶系的晶体和非晶体的光学性质在各 方向相同，称为光性均质体，简称均质体。 光波在均质体中传播时： ① 传播速度不因振动方向而发生变化。 ② 折射率值只有一个。 ③ 光波射入均质体中，其固有性质不变。
光的折射(refraction) 光的折射
折射介质对入射介质的相对折射率N 。 把真空作为入射介质，任何介质对真空 的折射率称为绝对折射率，简称折射率。 光线在介质中的传播速度与介质的折射 率成反比。 N值的大小反映介质对光波折射的本领。 折射率色散：同一介质的N因光波的波长 而异。对于同一介质，波长与N成反比。
一轴晶光率体
一轴晶是属于中级晶族各晶系的晶体， 宏观对称的共同特点是只有一根高次轴。 水平结晶轴单位相等，水平方向上光学 性质相同。光线沿高次轴方向和垂直于 高次轴的方向入射，所显示的光学性质 不同。 o光与e光⊥振动，o光⊥光轴振动， e光在入射光与光轴组成的平面内振动
一轴晶光率体（石英、方解石） 一轴晶光率体（石英、方解石）
自然光与偏振光
12晶体光学基础理论
晶面法线
晶面法线
o光：三线共面
e光：三线不共面
（3）振动方向： o 光振动方向与其主平面（光线和光轴 所决定的平面）垂直；e 光振动方向//其主平面。
o光主平面
e光主平面
o光 光轴
e光 光轴
主平面: 晶体内线与光轴构成的平面
6、光性均质体与光性非均质体
光性均质体 Optical isotropic substance 光性非均质体 Optical anisotropic substance
三个主折射率：
Ng(>Ng’>)Nm(>Np’>)Np
两个OA
光轴角（2V）：OA锐夹角
Np
Bxa：OA锐角平分线,=Ng
Bxo
或Np；Bxo：钝角平分线
光轴面（OAP）：包含两个 Nm OA的切面
(3) 光性正负之分
正光性： Ng=Bxa
近似公式： Ng-Nm > Nm-Np
负光性: Ng=Bxo
1）由光疏进入光密物质，折向光法线；反之，偏离光法线。
2）N：折射介质对入射介质的相对折射率，若入射介质为真空，为绝 对折射率。
3）光在介质中的传播速度受微观结构（密度、质点类型、堆积的紧密 程度等）的控制，因此折射率是反映介质成分和微观结构的重要参数。
4、光的全反射和全反射临界角
Φ Ni
Nr
Ni>Nr
电磁波是一种横波，因此光也是横波：振动方向 与传播方向相互垂直
光波具有一切电磁波属性：反射、折射、干涉、 偏振、色散、衍射特征。
波的相关术语
图中波自左向右以速度V传播
F = V/
➢波长 (wavelength)：相邻两波峰之间的距离
晶体光学基础试题及答案
晶体光学基础试题（判断对错/简答）1．除真空以外的任何介质的折射率总是大于1（）2．折射定律表达为折射率为入射角与折射角的正弦之比,所以入射角越大,折射率越大；入射角越小,折射率越小( )3．某介质绝对折射率为光在空气中传播速度与在该介质中速度之比,即N=C O/V（）4．光在某介质中传播速度愈快,折射率愈大( )5．光由光疏介质射入光密介质,永远不会发生全反射()6．光由光密介质射入光疏介质,一定发生全反射()7．均质体有无数个相同的Ｎ或只有一个Ｎ（）8．非均质体有几个不同的Ｎ（）9．自然光射入均质体中，基本仍为自然光，偏光射入仍为偏光，不放生双折射（）10．自然光射入非均质体中一般发生双折射形成两种偏光；偏光射入非均质体中，按入射偏光传播，不发生双折射（）11．光在晶体中传播方向一致，则Ｎ一样（）12．光在晶体中振动方向一致，则Ｎ一样（）光率体基础1. 一轴晶有N e 、N o两个折射率，二轴晶有N g 、N m 、N p三个折射率( )2. 一轴晶N e >N o , 二轴晶N g >N m >N p ( )3. 一轴晶正光性N e >N o；负光性N e <N o ; 二轴晶正光性N g >N m >N p；负光性N g <N m <N p ( )4. 一轴晶光率体切面始终有一个N o，二轴晶光率体切面始终有一个N m（）5. 无论是一轴晶还是二轴晶，具有最大双折率的切面一定平行光轴（）6. 一轴晶有一个光率体圆切面，二轴晶有两个光率体圆切面（）7. 一轴晶有两个主折射率N e 、N o，二轴晶有三个主折射率N g 、N m、N p（）8. 二轴晶光轴面一定是与N g N p面一致（）9. 二轴晶垂直光轴面的任意切面总有一个半径是N m（）10. 一轴晶最大双折率为︱N e–N o︱，二轴晶最大双折率为N g–N m（）11. 二轴晶Bxa一定垂直B xo（）12. 二轴晶Bxa和、B xo构成的切面也一定是与光轴面一致（）13. 二轴晶B xa或B xo不可能是N m（）14. 一轴晶光率体的光轴始终是竖直的（）15. 二轴晶光率体的N g始终是竖直的（）16. 一轴晶N e与Z轴始终一致，二轴晶N g与Z轴始终一致( )17. 二轴晶三个光率体主轴一定与三个结晶轴一致（）18. 一轴晶光轴（N e）始终是竖直的，二轴晶光轴面（OAP）则始终是竖直的（）19. 二轴晶斜方晶系N g 、N m、N p与X、Y、Z轴一致（）20. 二轴晶单斜晶系一定是N m =Y（）单偏光镜下晶体光学性质1. 解理缝一般是暗色细缝（）2. 当解理面与薄片垂直时解理缝最清楚（）3. 某矿物切面见不到解理缝，说明该矿物一定不发育解理（）4. 辉石和长石都发育两组解理，薄片中辉石见到解理的机会少，而长石机会多（）5. 手标本上见到某矿物有颜色，则薄片中一定也有颜色（）6. 均质体矿物在薄片中一定无多色性（）7. 非均质体矿物在薄片中一定有多色性（）8. 薄片中矿物有颜色的切面一定有多色性（）9. 有多色性矿物的没有多色性的切面一般是光率体圆切面（）10. 有多色性的一轴晶只有N e N o面上有多色性，二轴晶只有N g N p面上有多色性（）11. 电气石纵切面平行十字丝纵丝时，所见的颜色是N o（）12. 黑云母解理缝平行十字丝纵丝时，所见的颜色是N p（）13. 普通角闪石（010）面上多色性最明显，可以见到N g和N p的颜色（）14. 普通角闪石（001）面上可以见到两组解理，其锐夹角方向为N m的颜色（）15. 普通角闪石（100）面上只能见到一组解理，也可以见到N m的颜色（）16. 在薄片中某矿物颗粒贝克线在该矿物一侧，则该矿物Ｎ一定＞1.54（）17. 矿物突起越高，Ｎ越大，突起越小，Ｎ越小（）18. 提升物台时，贝克线向折射率大的物质方向移动（）19. 所有非均质体切面都具有闪突起（）20. 所有非均质体椭圆切面都具有闪突起（）正交偏光镜下晶体光学性质（一）１.正交偏光间全消光的矿物颗粒一定是均质体（）２.正交偏光间出现“四明四暗”现象的颗粒一定是非均质体（）３.正交偏光间某矿物所有切面都呈全消光，该矿物一定是均质体（）４.非均质体所有切面都可以见“四明四暗”现象（）５.干涉色与单偏光镜下颜色的形成原理类似（）６.干涉色与光程差是一一对应的，只要干涉色颜色种类一样，则光程差一样（）７.灰色和黄色干涉色一定属于Ⅰ级干涉色（）８.蓝色和绿色干涉色至少是Ⅱ级或以上干涉色（）９.相邻色序对比，紫红对应的光程差一定小于蓝对应的光程差（）１０.同一级别内，紫红对应的光程差也一定小于蓝对应的光程差（）１１.同一薄片中，具有不同干涉色的颗粒，一定是不同种矿物（）１２.同一薄片中，具有相同干涉色的颗粒，一定是同一种矿物（）１３.每一种非均质体矿物，只有一种干涉色（）１４.每一种非均质体矿物，只有一种最高干涉色（）１５.具有最高干涉色的切面一定平行光轴（）１６.平行光轴的切面，一定具有最高干涉色（）１７.单偏光下具有闪突起的矿物颗粒，正交偏光下其干涉色一般比较高（）１８.石英为一轴晶，N o =1.544, N e=1.553，标准薄片厚度下，最高干涉色是Ⅰ级紫红（）１９.方解石为一轴晶，N o=1.658, N e=1.486，最高干涉色达到高级白（）２０.某二轴晶矿物，N g=1.705, N m=1.70, N p=1.693,垂直Bxa切面干涉色是灰色（）正交偏光镜下晶体光学性质（二）１.补色法则中，光率体半径同名平行时，结果干涉色一定比矿片原来的高（）２.补色法则中，光率体半径异名平行时，结果干涉色一定比矿片原来的低（）３.某矿物颗粒干涉色为灰色，加石膏试板后，一个45°位变为蓝，另一个45°位变为黄，干涉色都比原来的高，所以两个45°位都是光率体半径同名平行（）４.某颗粒干涉色为灰色，加石膏试板后，一个45°位变为蓝，那另一个45°位一定变为黄（）５.某颗粒加石膏试板后，一个45°位变为蓝，另一个45°位变为黄，那原来的干涉色一定是灰（）６.某颗粒加石膏试板后，一个45°位变为蓝，另一个45°位变为灰，那原来的干涉色一定是黄（）７.某颗粒干涉色加石膏试板后，两个45°位都变为绿色，说明原来的干涉色一定至少为Ⅱ级（）８.某颗粒干涉色加石膏试板后，只要有一个45°位变为Ⅰ级，说明原来的干涉色一定不超过Ⅱ级（）９.原干涉色为蓝色，加云母试板后，升高位一定变成绿色，降低位一定变成红色（）１０.某矿物颗粒，加云母试板后，一个变成红，另一个变成绿，原来的干涉色一定是蓝色（）１１.原干涉色为黄色，加云母试板后，升高位一定变成红色，降低位一定变成绿色（）１２.某矿物颗粒，加云母试板后，一个变成红，另一个变成绿，原来的干涉色一定是黄色（）１３.一轴晶矿物平行C轴切面为平行消光（）１４.单斜晶系矿物普通角闪石N m =b，其平行（100）的切面是平行消光，平行(010)的切面是斜消光，平行（001）的切面是对称消光（）１５.正光性矿物一定是正延性，负光性矿物一定是负延性（）锥光镜下晶体光学性质（一）１.正交镜下全消光的矿物切面，在锥光镜下也全消光（）２.只有光率体切面为椭圆的矿物颗粒，在锥光镜下才有干涉图（）３.一轴晶垂直光轴切面干涉图就是一个黑十字（）４.正交镜下最高干涉色越高的矿物，其垂直OA切面干涉图干涉色色圈越多（）５.单偏光镜下具有闪突起的矿物，其垂直OA切面干涉图干涉色色圈一般比较多（）６.一轴晶垂直OA切面，波向图中切线方向为N o，放射线方向为N e（）７.一轴晶垂直OA切面，波向图中放射线方向一定为光率体椭圆长半径方向（）８.某一轴晶矿物颗粒在锥光下出现一黑十字，且四个象限均为灰色，现插入石膏试板，发现一、三象限变成蓝色，二、四象限变为黄色，该矿物为负光性（）９.根据上题，把石膏试板换成云母试板，则第一、三象限干涉色变为黄色（）１０.具有多圈干涉色色圈的垂直OA干涉图，从中心向外干涉色逐渐升高，加入石膏试板后，干涉色仍然从中心向外逐渐升高（）１１.具有多圈干涉色色圈的垂直OA干涉图，加入石英楔试板后，发现二、四象限干涉色色圈连续向外移动，该矿物为正光性（）１２.偏心干涉图一般只见黑十字一条横臂或一条竖臂，均无法判断视域外黑十字中心的位置（）１３.当视域内见一条横臂，顺时针转物台，其向上移动，说明黑十字中心在视域右侧（）１４.当视域内见一条竖臂，顺时针转物台，其向左移动，说明黑十字中心在视域下方（）１５.当视域内见一条竖臂，逆时针转物台，其向左移动，继续逆时针转动物台，当该竖臂转到离开视域后，则下一步将会看到一条横臂从上方进入视域（）１６.接上题，当看到一条横臂从上方刚进入视域时，插入石膏试板，若视域的颜色由灰色变成蓝色，其光性符号为正（）１７.具有闪图干涉图的矿物颗粒，去掉锥光系统后，在正交镜下，一般具有比较高的干涉色（）锥光镜下晶体光学性质（二）１.二轴晶垂直Bxa切面干涉图45°位时，两个弯曲黑带顶点连线为光轴方向（）２.二轴晶垂直Bxa切面干涉图的色圈，也是以黑十字交点为中心的同心园色圈（）３.二轴晶垂直Bxa切面干涉图中，两个弯曲黑带顶点连线为N g N p面迹线方向（）４.二轴晶正光性垂直Bxa切面干涉图与负光性垂直Bxo切面干涉图一样（）５.二轴晶垂直Bxa切面干涉图中，两个弯曲黑带顶点凸方连线方向为Bxo投影方向（）６.二轴晶垂直Bxa切面干涉图中，两个弯曲黑带顶点凹方连线方向为Bxa投影方向（）７.二轴晶垂直Bxa切面干涉图中，与两个弯曲黑带顶点连线方向相垂直的方向始终为光轴方向（）８.二轴晶垂直Bxa切面干涉图中，弯曲黑带在Ⅱ、Ⅳ象限时，加试板后，Ⅰ、Ⅲ象限干涉色变化一致，Ⅱ、Ⅳ象限凸方与凹方干涉色变化也一致（）９.垂直Bxa切面干涉图，弯曲黑带在Ⅰ、Ⅲ象限的45°位时，从Ⅱ、Ⅳ象限插入石膏试板，弯曲黑带顶点之间干涉色由灰变蓝，其光性符号是负（）１０.垂直Bxa切面干涉图（色圈多），弯曲黑带在Ⅰ、Ⅲ象限，从Ⅱ、Ⅳ象限插入云母试板，两个弯曲黑带凹方各出现一个对称的小黑团，其光性符号是正（）１１.接上题，若使用石英楔代替云母试板，弯曲黑带顶点之间干涉色圈连续向内移动（）１２.二轴晶垂直OA切面干涉图与一轴晶垂直OA切面干涉图很类似（）１３.二轴晶垂直OA切面干涉图相当于垂直Bxo切面干涉图的一半（）１４.二轴晶垂直OA切面干涉图45°位时，加试板后，弯曲黑带凸方与凹方干涉色变化正好相反（）１５.二轴晶垂直Bxo切面干涉图，也会出现一个粗大黑十字，也叫闪图（）１６.二轴晶垂直Bxo切面干涉图与垂直Bxa切面干涉图类似，只是中心出露轴不同（）１７.二轴晶矿物N g N p面干涉图一定为闪图；反过来，具有闪图特点的切面，一定是N g N p面（）１８.二轴晶闪图干涉图，去掉锥光系统后，在正交偏光间具有该矿物最高干涉色（）１９.二轴晶垂直Bxa切面干涉色一定低于垂直Bxo切面干涉色（）２０.二轴晶垂直Bxa切面与垂直Bxo切面干涉色的相对高低，视光性不同而不同（）填空题1.某矿物为一轴晶，平行c轴方向振动的折射率为1.553，垂直c轴方向振动的折射率为1.544，则该矿物Ne= ，No= ，光性为，最大双折率为，最高干涉色为。
晶体光学基础理论
五、光率体在晶体中的位置——光性方位 光率体的主轴与结晶轴及（晶面、晶棱）之间的关系称 为光性方位。不同晶体的光性方位不同，而同一种晶体的 光性方位基本固定，故确定光性方位可以帮助鉴定晶体。 均质体光率体任意方向切面都有是圆切面，也就有无数 光轴，就不存在光学主轴与晶轴、晶面等关系，即不存在 光性方位问题。 1、一轴晶光率体在晶体中的位置 三方、四方和六方晶系晶体的光率体均属于一轴晶光率 体，一轴晶光率体为旋转椭球体，其旋转轴（光轴Ne）与 结晶轴（C轴）相当，它与晶系的高次对称轴平行（重 合）。
2、一轴晶光率体
四方、三方、六方晶系的中 级晶族晶体的水平结晶轴单位 相等，而与高次对称轴（C轴） 方向不等，a=b≠c。因此其水 平方向上的光学性质相同（N 相同），而与C轴不同，所以 一轴晶光率体是以C轴为旋转 轴的旋转椭球体。沿C轴（Ne） 方向入射光不发生双折射，C 轴称光轴，因只有一个方向这 样轴故称一轴晶，Ne、No称 光学主轴。
折射率为1.003与真空相当。所
以通常把空气的折射率当作1， 实际测定时都是与空气相比的。 光的折射
如果把光在空气中的速度定为 v 0 ，在某介质中的速度定为v 1 ， 则该介质的折射率定为
任何一种物质，折射率都与速度成反比。即传播速度 越快
（大）折射率越小；传播速度越慢折射率越大。当光从折射率 n小的介质（光疏介质）进入折射N大的介质（光密介质），由 于
三、光性均质体与光性非均质体
各种固体物质根据其光学性质可分为光性均质体和光性 非均质体两大类。
光性均质体是指光波在其中传播时，其传播速度不因振 动方向不同而发生改变的一类物质，即只有一个折射率。 光波入射光性均质体发生单折射现象，基本上不改变入射 光波的振动特点和振动方向的，如石盐，各个方向的折射 率均为1.544。当把石盐磨成薄片放在物台上，从下偏光上 来的光线向射入石盐晶体薄片后，不改变其振动方向，仍 按下偏光振动方向向上传播，而透不过上偏光镜，在正交 偏光系统下，看起来是黑的，转动物台一周都不变化。光 性均质体，简称均质体，属于这一类的有等轴晶系晶体和 非晶质的固体（如树胶、玻璃等）。
02第一章宝石的结晶学和晶体光学基础
小结
单折射—均质体(一个折射率)—等轴晶系
钻石 石榴石 尖晶石 欧泊 萤石
电气石、水晶、红宝石 锆石、方柱石 绿柱石、磷灰石
三方晶系 四方晶系 六方晶系
非光轴方向入 射产生双折射
非均质体
一轴晶
正光性 Ne>No
(2个主折射率) 负光性 Ne<No
二轴晶
正光性 Ng-Nm>Nm-
(3个主折射率) 负光性 Ng-Nm<Nm-
三斜晶系 单斜晶系
斜方晶系
日光石 透辉石、月光石 黄玉 金绿宝石 橄榄石
三、晶体的外表特征
1.双晶（Twin crystal）：双晶是两个以上的同种晶 体按一定的对称规律形成的规则连生，相邻两个个体 的相应的面、棱、角并非完全平行，但它们可借助对 称操作：反映、旋转或反伸，使两个个体彼此重合或 平行。
双晶有以下三种类型 （1）接触双晶：各单晶沿一个简单的平面（双晶面）
知识应用
(1)常见均质体宝石有哪些？常见非 均质体宝石有哪些？
均质体宝石 钻石、石榴石、尖晶石、欧泊、萤石
非均质 体宝石
红宝石、蓝宝石、祖母绿、海蓝 一轴晶 宝石 电气石 水晶 锆石等 二轴晶 金绿宝石 橄榄石 黄玉 月光石
日光石 透辉石 堇青石等
知识应用
2.哪些非均质体宝石的双折射率高(双折率>0.03)， 放大观察双折射率高的宝石可见什么现象？对于双折 射率高的宝石，切磨时一般怎样定向？为什么？
自然光在非均质体中的传播
均质体、非均质体与晶系的关系及光在均质体和非 均质体中的传播特点
均质体—等轴晶系—单折射 (一个折射率)
自然光进自然光出 偏振光进偏振光出
一轴晶 பைடு நூலகம்2个主折射率)
晶体光学基础
星期四
第一章 晶体光学基础 第三章 单偏光镜下的晶体光学性质 实验三 突起与闪突起观察 国庆放假 第四章 正交偏光镜下的晶体光学性质 实验五 消光类型、消光角及延性符号 的测定 第五章 锥光镜下的晶体光学性质 实验七 角闪石的系统鉴定 实验九 石英、云母、方解石的鉴定 实验十一：碱性长石的鉴定
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2. 折射定律：
折射光线在入射光线和法线所决定的平面内， 并与入射光线分居于法线两侧，两介质一定时，入 射角i的正弦与折射角r的正弦之比，对于给定的两 种介质来说为一常数，即Sini/Sinr = N。
N称为第二介质对第一介质的相对折射率；
法线
i r
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真空或空气
2. 过光率体中心的任意切面 均为圆切面，其半径代表矿物 的折射率值（N）。
如石榴子石、尖晶石。
2015-4-1的矿物均属一轴晶。如石英、 方解石等矿物的光率体。
中 级 晶 族 矿 物 的 晶 体 ： 轴 角 ɑ=β=γ=90°( 或 ɑ=β=90° 、 γ=120°) 、 轴长a=b≠c； 在光学性质上，水平方向相同，水平 方向与直立方向不同。
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冰洲石的双折射现象
o e
冰洲石
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（3）光波沿非均质 体的特殊方向射入时，
不发生双折射，基本不
改变入射光波的振动特 点和振动方向。在非均 质体中，这个不发生双 折射的特殊方向称为光 轴，用符号OA（Optic axis）表示。
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中级晶族晶体 只有一个光轴方向， 称为一轴晶；
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四、自然光与偏光
1 晶体光学基础理论_2020-wlx (1)
晶体光学及光性矿物学Crystal Optics & Optical Mineralogy(48学时)任课教师：王连训副教授助教：李乐广、徐晓波（硕士生）矿物岩石学国家级教学团队中国地质大学（武汉）地球科学学院“…我的晶体光学就是池际尚教授讲的，她不是仅仅讲一堂课，而是整整给我们讲了半年。
至今，我都清清楚楚地记得她的音容笑貌，她讲的是那么清楚、那么深刻，甚至费氏台的操作她都自己进行…”—温家宝，2005年9月9日我校岩石学科奠基人池际尚教授为本科生讲授晶体光学课程(1964年)光与晶体的“美丽邂逅”When light and crystal meet…◆晶体光学：研究可见光通过透明矿物晶体产生的光学现象及其变化规律的学科。
◆光性矿物学：用透射偏光显微镜研究透明矿物光学性质的学科。
偏光显微镜岩石切片，厚30µm研究对象：岩石矿物薄片光学研究方法广泛应用于地球科学、珠宝鉴定、资源勘查、材料科学、工程、制造业、食品工业、医学、制药、环境科学、刑侦等领域。
为什么要学习这门课程？泰米尔“红宝石”红色尖晶石与红宝石文物研究及保护混凝土性能分析岩石矿物鉴定矿石分析聚合物材料研究采样岩石薄片制备流程切割研磨，抛光制片教材Textbook 参考书Reference Books中国地质大学出版社，2017科学出版社，2008地质出版社，2005南京大学出版社，2009英文参考书及图册常丽华等编著地质出版社，2006Oxford University Press William Nesse ,20134th edition理论课（7次，14学时）1.晶体光学基础理论2.单偏光镜下的晶体光性特征3.正交偏光镜下的晶体光性特征（上）4.正交偏光镜下的晶体光性特征(下)5.锥光镜下的晶体光性特征（上）6.锥光镜下的晶体光性特征（下）7.系统鉴定及光性矿物学基础课程内容安排Syllabus实习课安排（17次）Practical Classes光性矿物学部分⚫系统鉴定：角闪石⚫橄榄石类⚫辉石类⚫石英、云母类矿物⚫碱性长石、斜长石⚫碳酸盐矿物⚫未知薄片矿物鉴定（实践考试）晶体光学部分⚫偏光显微镜的构造与使用⚫解理、多色性⚫突起等级、贝克线⚫消光、补色法则、干涉色级序⚫消光类型、消光角、延性⚫一轴晶干涉图、二轴晶干涉图成绩评定方法Performance assessment理论部分（晶体光学）实践部分（光性矿物学）评定方法闭卷考试平时成绩未知鉴定占总评比例35%30%35%晶体光学基础理论Principles of Crystal Optics 一、光学基础知识◆光的波动性◆可见光、单色光与白光、自然光与偏光◆光的折射与折射率◆双折射和双折射率◆光的全反射和全反射临界角◆光性均质体与光性非均质体◆光波是一种电磁波，电磁波是一种横波。
晶体光学
（指NeNo，Ne’No或者NoNo）
宝石 N2
N1
三、 光 的 色 散 Dispersion
白光被分解成组成它 的光谱色（红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫 ）的现象称为色散。 通常用430.8nm的蓝光 和686.7nm的红光分别 测同一（宝石）的折 射率，二者之差值即 为该晶体的色散度。 宝石色散的清楚程度 取决于色散度和颜色 深浅。对无色宝石色 散增加了宝石的内在 美，如钻石的火彩。
（3）三斜晶系 对称特点： α≠β ≠ γ ≠90°
习题：
1、设某均质体矿物的折射率为1.50,试问在该矿物中光的传播 速度为多少？ 2、在空气中,波长为530nm的绿光射入晶体后,速度变慢,这是否 意味着该光的波长变短?如果变短,是否意味着光波的色调由 绿向蓝青紫变化?试回答并说明
3、石英是一轴晶正光性矿物，已知其△Nmax＝0.009，试问： 1)具有最大双折射率的切面是什么切面？ （指NeNo，Ne’No或者NoNo） 2)在该切面上测得其慢光的折射率为1.553，则快光的折射率是多少？ 3)在什么切面上测得的折射率只有一个？
负光性
No
二轴晶光率体
1、基本形态
对于低级晶族矿物，由于其a≠b≠c，相应地其三个结 晶轴方向都有所差别，在光学性质上，表现在具有三 个不同大小的折射率； 如镁橄榄石（斜方晶系）在X、Y、Z三个方向上的折 射率分别为1.715，1.651和1.680，根据其大小次序，分 别用Ng、Nm和Np（Ng>Nm>Ng）表示三个折射率， 称为主折射率。 三个主折射率的方向相互垂直，构成了低级晶族矿物折 射率的三个光学主轴，故其光率体为一个三轴椭球体。
合成碳硅石
橄榄石
§2 光率体
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光学立体图形。
光的偏振及晶体光学基础
= Dr e =
e (i D e ∧ j (kz−ωt )
jϕ x0
x0
+
∧
j
Dy0
e
jϕ y0
)
j(kz−ωt )
0
r 其中： D0
=
i D e ∧
jϕ x0
x0
+
j D e ∧
jϕ y0
y0
称为 D 的复振幅矢量。
写成
2×1
列矩阵：
D0
=
⎡ ⎢ ⎢⎣
Dx0 Dy0
e e
jϕ x0 jϕ y0
⎤ ⎥ ⎥⎦
2.晶体的光学各向异性及其描述
¾晶体的光学各向异性
⎡Dx ⎢⎢Dy
⎤ ⎥ ⎥
=
⎡⎢⎢εεxyxx
εxy εyy
εxz εyz
⎤ ⎥ ⎥
⎡Ex ⎢⎢Ey
⎤ ⎥ ⎥
⎡Dx ⎤ ⎡εx 0 0 ⎤⎡Ex ⎤
⎢⎢Dy
⎥ ⎥
=
⎢ ⎢
0
εy
0
⎥ ⎥
⎢⎢Ey
⎥ ⎥
⎣⎢Dz ⎦⎥ ⎢⎣εzx εzy εzz ⎥⎦⎣⎢Ez ⎦⎥ 坐标旋转 ⎢⎣Dz ⎦⎥ ⎣⎢ 0 0 εz ⎦⎥⎣⎢Ez ⎦⎥
¾ 描述晶体光学性质的参量一般都有色散，在以下 讨论中，如果不另作说明，将假定光波是单色的， 以突出参量的各向异性特点。
¾ 主要讨论单轴晶体。
2.晶体的光学各向异性及其描述
¾晶体对不同方向的光线呈现不同的折射率，
因而是光学各向异性媒质，这种光学各向异
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教科书
• 晶体光学与造岩矿物学，林培英主编， 地质出版社，2005
晶体光学的参考书
1. 成都地质学院，李德惠，晶体光学，地质出版社，1984 2. 北京大学地质学系岩矿教研室，光性矿物学，地质出版社，1979， 1988
3. 曾广策主编，透明造岩矿物与宝石晶体光学. 武汉：中国地质大 学出版社，1997 4. Nesse W. D. Introduction to Optical Mineralogy, Oxford Univ. Press, 2004
Nesse W. D. Introduction to Optical Mineralogy, Oxford Univ. Press, 2004
波传播方向的平面内作全方向、等振幅振动的光。
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。
课程名称：晶体光学与造岩矿物学
任课教师：张招崇 办公室：逸夫楼706室 联系方式：82322195；13910168892
zczhang@ zhangzhaochong@
总学时：40 学时，讲课20学时 实验课20学时
上课：综合楼 401（周二34节，周四12节） 实习：科研楼 911B(10011110 、10011151 )
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
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)
• 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).
透明矿物
不透明矿物
● 晶体光学是岩石学、矿物学、宝 玉石学和材料科学等学科研究的基 础课程之一。
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。
见光,尤其是可见偏光通过透明矿物晶体 所产生的折射、双折射、偏振、干涉、吸 收、色散等一系列光学现象的基础学科. 使用的主要仪器有透射偏光显微镜。主要 研究对象是矿物颗粒和岩石薄片。它是研 究和鉴定透明矿物的基础和重要方法。
● 绝大多数造岩矿物、宝玉石矿物在薄
片中是透明的，晶体光学是鉴定和研究 岩石和宝玉石显微结构的基本技术。
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)
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)
R1
NB-A为常数，仅与A，B介质性质有关
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
●
R2
i
M
O
r
N=V 真空／V 物质=sin i /sin r
S
N真空=1， N空气=1.0003
自然界一切N>=1
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 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
频率 能量 增大 增大
可见光
紫外线
X 射线
射线, 等
波长(nm) 10-5
射线
1
X射线
紫外线
可见光
105
红外线
短无线电波
1010
广播波段
长无线电波
1015
390
紫Байду номын сангаас
靛 446 464
蓝 500
绿
黄 橙
578 592
620
红 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
第一节 光的性质
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
全部范围: 1015-10-5nm
按波长大－小，划分为:
无线电波 红外线
引言: 为什么学习晶体光学
●晶体光学是研究光对透明矿物作用所引
起的光学现象及其规律的一门科学。简单地 说是研究矿物晶体的光学性质。
●矿物学研究的光学性质如颜色、光泽、 条痕、晕彩等都是矿物晶体的外表特征， 用肉眼可观察到，属于宏观特征。
引言: 为什么学习晶体光学
● 晶体光学(透明矿物晶体光学)是研究可
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.
3、折射率(Index of refraction)
1) 相对折射率
NB-A= V A／V B=sin i /sin r
二、光的反射及反射定律
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