宝石学晶体光学基础

第四章：晶体光学基础

学习本章的意义：

•光是一种自然现象。

•有了光人们才看到宝石美丽的颜色和宝石奇妙的光学现象。

•了解光的本质和不同化学成分、不同结构的宝石与光的相互作用，对鉴定宝石、正确评价宝石及不断改进完善宝石切磨工艺都有重要意义。

本章主要学习内容

•第一节：光的本质

•第二节：光的折射及全反射

•第三节：光波在均质体和非均质体中的传播特点•第四节：光率体

第一节：光的本质

第二节：光的折射及全反射

第三节：光波在均质体和非均质体中的传播

特点

•一、自然光

•从一切实际光源直接发出的光波，一般都属自然光，如太阳光、白炽灯光等。

•自然光的特点是在垂直光波传播方向的平面内，沿各个方向都有等振幅的光振动(见图1-3-2)。

二、偏振光

•仅在垂直光波传播方向的某一固定方向振动的光波称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。如图1-3-3.•偏振光的振动方向与传播方向构成的平面称为振动面。

•自然光可以通过反射、折射、双折射及选择性吸收等作用转变成偏振光(见图1-3-4(a))。

•使自然光转变成偏振光的作用称为偏振化作用。

三、自然光和偏振光在宝石中的传播特点•1．光性均质体和光性非均质体

•根据光学性质不同，可以把宝石矿物划分为均质体和非均质体两大类。

•一般而言，非晶质宝石和等轴晶系的宝石矿物，在各个方向上的光学性质相同，称为光性均质体，简称均质体。如火山玻璃、欧泊、琥珀、象牙、煤精、钻石、石榴石、尖晶石、萤石、方钠石、合成立方氧化锆、人造钛酸锶等宝石。

•中级晶族和低级晶族的宝石矿物，其光学性质随方向而异，称为光性非均质体，简称非均质体。宝石中的大部分属光性非均质体，如红宝石、蓝宝石、橄榄石、水晶、祖母绿等。

2．光波在均质体宝石中的传播特点

•光波进入均质体宝石时，基本不改变入射光波的振动特点和振动方向。如图1-3-6所示，

•一束自然光射人均质体宝石后，仍然为自然光；

•一平面偏振光射人均质体宝石后，仍为偏振光，并基本保持其原来的振动方向，即其传播速度及相应的折射率值不因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。

3．光波在非均质体宝石中的传播特点

•当光波进入非均质体宝石时，除特殊方向之外，一般都要发生分解，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束偏光，这一现象称为光的双折射。

•当自然光进入非均质体宝石时，一般将改变入射光波的振动特点，被分解为互相垂直的两束偏光。

•如图1-3-7所示，由点P入射的一束自然光进入方解石晶体后被偏振化，在出射界面分解成由Po、Pe出射的两束偏振光。

•当一平面偏振光入射到非均质体宝石时，该宝石将对此偏光再次分解成两束偏振光，原振动方向发生改变。

4、光轴

•当光波在非均质体宝石中传播时，其传播速度及相应的折射率值随光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。

•非均质体可以有两个或两个以上的折射率值。

•当光波沿非均质体宝石的某个特殊方向入射时，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，这一不发生双折射的特殊方向称为光轴。

•中级晶族宝石晶体(如红宝石、祖母绿、锆石等)只有一个光轴方向，称为一轴晶；

•低级晶族宝石晶体(如透辉石、长石、橄榄石、黄玉等)具有两个光轴方向，称为二轴晶。

第四节：光率体

光率体是表示光波在晶体中传播时，光波的振动方向与相应折射率值之间关系的光学立体图形(光

性指示体)。

具体作法是：以晶体中心为起点，平行于在晶体中传播的光波的振动方向作一条直线，直线的长度按该振动方向光波的折射率值为大小截取，每一振动方向的光波都可作出一条与其折射率值大小相对应的线段，把无数条这样即代表光波振动方向又代表相应折射率值的线段的端点连接起来便构成该晶体的光率体。

光率体可使宝石晶体的许多光学现象得以解释，不同晶体结构的宝石，光率体形状不同，现分述如下。•1．均质体光率体

•非晶质体和高级晶族的宝石均为光性均质体。

•光波在均质体宝石中传播时，其速度不因振动方向的改变而改变，即各个方向振动的光波在晶体中的传播速度是相同的，相应的折射率值也相等。

•1)，形状：一个圆球体(图1-3-17)

•2）特点：a、通过球体中心任何方向的切面都是圆切面，其半径代表均质体宝石的折射率值(n)。

•b、对于均质体宝石来说仅有一个折射率。

2．一轴晶光率体

中级晶族的三方、四方、六方晶系的宝石均为

非均质体，其光率体的形状已不再是一个球体，而是一个以Z晶轴为旋转轴的旋转椭球体，称为一轴晶光率体(图1-3-18)。

1）形状：椭球体

直立轴是旋转椭球体的旋转轴，它代表了一轴

晶光率体的光轴方向。

2）特点：a、当光波沿光轴方向入射时，不发生双折射，此时光波在垂直该轴的圆切面内作水平振动，在垂直Z轴各个振动方向的折射率都相等，此为常光的折射率值，用符号n。表示，如图1-3-19(a)。

•b、当光波垂直光轴方向入射时，光发生双折射，分解成振动方向互相垂直的两种偏光，此时，在一轴晶光率体中，垂直入射光方向的切面为一包含了光轴的椭圆切面。

•入射光分解后的一个偏光的振动方向平行于光轴，为非常光的折射率，用符号n。表示；另一偏光的振动方向与光轴垂直，折射率与常光折射率相等(n。)，如图1-3-19(b)。

•c、当光波斜交光轴方向入射时，在光率体中垂直光波入射方向的切面仍为一椭圆，该椭圆的一个轴的方向的折射率值用符号ne’表示，其大小介于常光与非常光之间；该椭圆的另一个轴方向仍然代表了常光的振动方向，折射率值等于常光折射率值n。，如图1-3-19(c)。

•综上所述可知，具一轴晶光率体的宝石矿物具有ne、n。两个主折射率值，这两个折射率差的绝对值称为双折射率，它是最大和最小两个折射率的差值。