晶體光學基礎理論

1、晶體光學及光性礦物學Crystal Optics & Optical Mineralogy（64學時）任課教師：佘振兵 （地球科學學院） 聯(lián)系方式： 67884734 教 材 n晶體光學及光性礦物學，曾廣策等編著，中國地質大學出版社，2006，O734/Z1參考書n晶體光學與造巖礦物，林培英主編，地質出版社，2005，P585.1/L5n晶體光學原理，陳蕓菁編著，地質出版社，1987，O734/Ch1n光性礦物學，王德滋, 謝磊編著，科學出版社，2008，P585.1/W1.2n光性礦物學教程，楊承運編，地質出版社，1989，P585.1/Y1nOptical crystallography，

2、Wahlstrom，Wiley，1979，O734/W137nOptical mineralogy, Kerr, McGraw-Hill, 1977, P585.1/K41講課內容安排 Course Syllabus1. 晶體光學基礎理論(1)2. 晶體光學基礎理論(2)3. 單偏光鏡下的晶體光性特征(1)4. 單偏光鏡下的晶體光性特征(2)5. 正交偏光鏡下的晶體光性特征（1）6. 正交偏光鏡下的晶體光性特征(2)7. 錐光鏡下的晶體光性特征8. 寶石礦物的晶體光學特征、系統(tǒng)鑒定9. 光性礦物學基礎 每次課2學時實驗課安排（共23次課）Practical Class晶體光學部分n偏光顯微鏡的

3、構造與使用，2課時n解理、多色性 ，2課時n突起等級、貝克線，4課時n消光、補色法則、干涉色級序，4課時n消光類型、消光角、延性，4課時n一軸晶干涉圖、二軸晶干涉圖，4課時n尋找定向切面、測一軸晶礦物多色性公式 ，4課時光性礦物學部分n系統(tǒng)鑒定：普通角閃石，2課時n橄欖石及其蝕變礦物 ，2課時n輝石族礦物 ，4課時n云母族礦物 ，4課時n斜長石成分鑒定法，4課時n鉀長石、石英 ，4課時n方解石、螢石 ，2課時實驗課安排（共23次課）實驗課分班：每班不超過30人成績評定方法n理論部分（晶體光學）：閉卷考試，占總分50%n實踐部分（光性礦物學）：平時實驗課成績，占總分50% 晶體光學晶體光學: :

4、研究可見光研究可見光通過通過透明礦物透明礦物晶體時的一晶體時的一些光學現象及其變化規(guī)律的學科。些光學現象及其變化規(guī)律的學科。 研究目的研究目的：根據光學特征鑒定礦物種屬、鑒定：根據光學特征鑒定礦物種屬、鑒定寶石。寶石。鑒定礦物種屬有沒有其它方法？彼此之間在原理上有哪些差異？鑒定礦物的其他方法鑒定礦物的其他方法: : 形態(tài)、力學性質（如解理、裂開）、密度、磁性形態(tài)、力學性質（如解理、裂開）、密度、磁性顏色（主要是吸收色）、粉末色（條痕色）、反光強顏色（主要是吸收色）、粉末色（條痕色）、反光強度、熒光效應等度、熒光效應等化學成分。化學成分。 晶體光學晶體光學：強調可見光：強調可見光光線在穿過透明礦

5、物之后光線在穿過透明礦物之后產生的光學效應產生的光學效應，借助光，借助光學效應之間的差別來鑒別學效應之間的差別來鑒別礦物種屬。礦物種屬。第第1 1講講 晶體光學基礎原理晶體光學基礎原理. .上上u 光的波動性光的波動性u 可見光、單色光與白光、自然光與偏光可見光、單色光與白光、自然光與偏光u 光的折射與折射率光的折射與折射率u 雙折射和雙折射率雙折射和雙折射率u 光的全反射和全反射臨界角光的全反射和全反射臨界角u 光性均質體與光性非均質體光性均質體與光性非均質體 一、一、光學基礎知識光學基礎知識1 1、光的波動性、光的波動性 電磁波是一種橫波，因此光也是橫波：電磁波是一種橫波，因此光也是橫波：

6、振動方振動方向與傳播方向相互垂直向與傳播方向相互垂直 光波具有一切電磁波屬性：光波具有一切電磁波屬性：反射、折射、干涉、反射、折射、干涉、偏振、色散、衍射特征。偏振、色散、衍射特征。 F = V/ 圖中波自左向右以速度V傳播波長 (wavelength)：相鄰兩波峰之間的距離頻率F (frequency)：每秒鐘內波峰通過某一點處的次數振幅A (amplitude)：波的高度波的相關術語可見光可見光：正常的人眼能感覺到的電磁波。單色光單色光：頻率為某一定值或在某一窄小范圍的可見光。白光：白光：是指由七種基本單色光混合的光（如日光）。2. 可見光、單色光、白光可見光在電磁波譜中的位置可見光在電磁

7、波譜中的位置波長（nm）紫外紫外紅外紅外紫紫蘭蘭綠綠黃黃橙橙紅紅390430500570590650770波長nm人眼最為敏感的光是黃綠光，即 附近555 nm自然光自然光: :在垂直光波傳播方向的平面內，各個方向上都有等振幅振動的光波偏光偏光: :僅在垂直光波傳播方向的某一個固定方向上振動的光波u偏光化作用(Polarization)：使自然光轉變?yōu)槠獾淖饔?。u反射、折射、雙折射、選擇性吸收可使自然光轉變?yōu)槠窆?。west (left)east (right)單偏光單偏光 “PPL”自然光自然光光通過下偏光鏡時只有東西方向振動的光才能通過3、光的折射與折射率Refraction & ref

8、ractive index生活中的光折射生活中的光折射irNiNrNiNrNrNi法法線線法法線線WaterWaterAirAir疏疏密密密密疏疏1）由光疏進入光密物質，折向光法線；反之，偏離光法線。2）N：折射介質對入射介質的相對折射率，若入射介質為真空，為絕對折射率。3）光在介質中的傳播速度受微觀結構（密度、質點類型、堆積的緊密程度等）的控制，因此折射率是反映介質成分和微觀結構的重要參數。折射定律（Snell定律）： N = Sini / Sinr = Vi / Vr NrNiNiNr為全反射臨界角為全反射臨界角* *光波由光密介質進入光疏介質，當入射角增大光波由光密介質進入光疏介質，當入

9、射角增大到某一臨界角到某一臨界角時，會產生全反射，據此原理，時，會產生全反射，據此原理，在已知在已知N Ni i時，測出時，測出值就能測出值就能測出N Nr.r.4、光的全反射和全反射臨界角據折射定律：據折射定律： N = Vi / Vr = Sini / Sinr = Nr / Ni Sinr = Sini/ N 若若Sini=N,則則r =90 密密疏疏雙折射現象的發(fā)現：冰洲石下的雙像n1669年，丹麥科學家巴塞林那斯(E.Bartholinus) 透過冰洲石看書，發(fā)現每個字都變成了兩個。n10年后，荷蘭物理學家惠更斯(Christiaan Huygens) 給出了解釋：q一束光進入冰洲石

10、后分為兩束（雙折射）q其中一束遵從折射定律，稱為常光（O光）；另外一束不遵從折射定律，稱為非常光（e光）q冰洲石越厚，兩束光分得越開。5、雙折射和雙折射率Double refraction & Birefringenceoe冰洲石冰洲石冰洲石下的繩子有兩個像冰洲石下的繩子有兩個像雙折射雙折射單折射單折射玻璃下的繩子只有一個像玻璃下的繩子只有一個像oe冰洲石冰洲石當光線入射到礦物晶體之中時，一般都發(fā)生當光線入射到礦物晶體之中時，一般都發(fā)生雙雙折射折射現象。即形成兩束折射光?，F象。即形成兩束折射光。u 一束為一束為尋常光（ o o 光），服從折射定律，沿各方向傳播的o光速度相同，即各方向的折射率相

11、同。u 另一束為異常光（e e 光），不服從折射定律，沿各方向傳播的光速度不同，即各方向的折射率不同。光軸光軸 (optical axis, OA)(optical axis, OA)：晶體內特殊的方向，當光線沿該方向入射時，不發(fā)生雙折射。5 .1015 .78相關說明（1）o o 光與e e 光均為偏振光，二者傳播方向、傳播速度、折射率一般不同。 o o 光、e e 光折射率之差為雙折率。（2） 傳播方向：o 光始終在入射面（晶面法線與入射線所決定的平面）內傳播，且在介質中的傳播速度不受振動方向的影響；e e 光一般不在入射面內，傳播速度隨振動方向變化。晶面法線晶面法線晶面法線晶面法線o o

12、光：三線共面光：三線共面e e光：三線不共面光：三線不共面（3）振動方向： o 光振動方向與其主平面（光線和光軸所決定的平面）垂直；e 光振動方向/其主平面。光軸光軸o光光光軸光軸e光光o o光主平光主平面面e e光主平光主平面面主平面: 晶體內光線與光軸構成的平面（1 1）當光軸在入射面內時）當光軸在入射面內時光軸光軸o光和光和e光的振動方向垂直光的振動方向垂直* * 兩種特殊情況下兩種特殊情況下o光與光與e光的振動方向光的振動方向o o光光e e光光 主截面（主截面（晶面法線與光軸構成的平面晶面法線與光軸構成的平面）入射面（入射面（入射光線與晶面法線構成的平面入射光線與晶面法線構成的平面）

13、 o光的主平面（光的主平面（晶體內光線與光軸構成的平面晶體內光線與光軸構成的平面） e光的主平面（光的主平面（晶體內光線與光軸構成的平面晶體內光線與光軸構成的平面）重重合合（2 2）當光軸垂直入射面時）當光軸垂直入射面時o 光和光和e 光振動方向垂直光振動方向垂直光軸光軸 o o光光e e光光o o光主平面光主平面e e光主平面光主平面 光軸光軸o o光光e e光光 o光的振動方向與晶體的光軸垂直；光的振動方向與晶體的光軸垂直；e光的振動光的振動方向與晶體的光軸共面。方向與晶體的光軸共面。Wallaston棱鏡由兩塊由兩塊光軸相互垂直光軸相互垂直的的方解石（方解石（none）直角棱）直角棱鏡組

14、成，具有鏡組成，具有起偏作用、起偏作用、分光作用分光作用。* * 雙折射應用實例雙折射應用實例Wallaston棱鏡工作原理eOABDCO方解石方解石4864.1en6584. 1on 光密光密光疏光疏eO 光振動垂直于主平面；光振動垂直于主平面； e 光振動光振動/主平面主平面光疏光疏光密光密o光變e光e光變o光eoonnrsinisin平行振動平行振動oeennrsinisin垂直振動垂直振動904868光軸光軸把方解石（把方解石（ne=1.468，no=1.658) )按長寬比按長寬比= =2.8的的比例磨制，后沿晶體上某個面將晶體剖成兩半，比例磨制，后沿晶體上某個面將晶體剖成兩半，再以

15、再以n=1.550的的加拿大樹膠加拿大樹膠粘合成原來形狀。粘合成原來形狀。加拿大樹膠加拿大樹膠尼科耳棱鏡續(xù)上方解石主截面將 71 修磨成 6868光軸光軸膠= = 1.491.49= = 1.661.66= = 1.551.55膠具備全反射條件OO光上述設計可保證 大于全反射臨界角 只有只有 從端面輸出從端面輸出光ABOO光光被涂黑的器壁吸收光71尼科耳棱鏡工作原理6、光性均質體與光性非均質體u光性均質體光性均質體 Optical isotropic substanceu光性非均質體光性非均質體 Optical anisotropic substance光性均質體光性均質體 指指光學性質各個方

16、向相同的物質光學性質各個方向相同的物質，如，如玻璃質和玻璃質和等軸晶系等軸晶系的礦物的礦物 傳播速率不因振動方向的不同而改變，任何方向振動的光波折射率相同 自然光仍為自然光，偏振光仍為偏振光 不發(fā)生雙折射u思考：是否會發(fā)生折射？光性非均質體光性非均質體 光學性質因方向而異的礦物光學性質因方向而異的礦物，即除，即除等軸晶系等軸晶系以以外的所有其它晶系的礦物外的所有其它晶系的礦物 傳播速度、折射率隨光波的振動方向而變。 有一個或者兩個光軸，一軸晶和二軸晶(中、低級晶族) 除特殊方向外均要發(fā)生雙折射，分解成兩束振動方向不同、傳播速度不同、折射率不等的偏光。 晶體光學基礎理論（1）小結u 光的波動性：

17、電磁波、橫波光的波動性：電磁波、橫波u 可見光可見光（390-770nm）、單色光、單色光/ /白光、自然光白光、自然光/ /偏光偏光白光可以是自然光，也可以是偏光自然光可以是白光，也可以是單色光偏光可以是白光，也可以是單色光u 光的折射：折射后發(fā)生了什么光的折射：折射后發(fā)生了什么？V V、F F、 、傳播方向？u 光的全反射和光的全反射和全反射臨界角全反射臨界角u 雙折射雙折射： 光透過多數礦物（哪些例外？），分解為2束（O、e） 折射率、波速、傳播方向不同、偏振光 O光振動方向主平面，e光振動方向主平面 雙折率：abs(NoNe)u主截面、主平面、入射面、主軸面主截面、主平面、入射面、主軸

18、面 光的主平面：晶體中的光線與光軸所形成的平面 晶體主截面：由光軸和晶體表面的法線所組成的平面 入射面：晶面法線與入射線所決定的平面 主軸面（主切面）：包含2個主軸的切面u 光性均質體光性均質體/ /光性非均質體光性非均質體（是否發(fā)生雙折射）u * * 雙折射與光傳播方向改變的問題雙折射與光傳播方向改變的問題常光：遵循折射定律（No=Sin I /Sinr）非常光：不遵循折射定律，可用惠更斯作圖法求出其傳播方向注意：光波在非均質體中傳播時，決定其傳播速度及折射率大小的是光波在晶體中的振動方向，而不是傳播方向。均質體均質體: 單折射單折射 ( (一個折射率一個折射率) )自然光自然光進自然光出，

19、偏振光進偏振光出進自然光出，偏振光進偏振光出類玻璃質類玻璃質：玻璃、水、空氣、樹膠、蛋玻璃、水、空氣、樹膠、蛋白石白石等軸晶系等軸晶系：石榴石、螢石、尖晶石、金石榴石、螢石、尖晶石、金剛石、白榴石剛石、白榴石一軸晶一軸晶:(2(2個主折射率個主折射率) )六方晶系六方晶系：磷灰石、霞石、綠柱石磷灰石、霞石、綠柱石四方晶系四方晶系：鋯石、金紅石、方柱石鋯石、金紅石、方柱石三方晶系三方晶系：石英、方解石、剛玉、電石英、方解石、剛玉、電氣石氣石二軸晶二軸晶:(3(3個主折射率個主折射率) )斜方晶系斜方晶系：橄欖石、紫蘇輝石橄欖石、紫蘇輝石單斜晶系單斜晶系：普通角閃石、透長石普通角閃石、透長石三斜晶

20、系三斜晶系：斜長石、硅灰石斜長石、硅灰石非均質體非均質體: 光從非光軸方向入射，光從非光軸方向入射，產生雙折射，分解成振產生雙折射，分解成振動方向互相垂直的兩束動方向互相垂直的兩束偏振光。偏振光。晶體光學研究的對象晶體光學研究的對象思考題1. 1. 所有介質的折射率總是所有介質的折射率總是 1 1，為什么？為什么？2. 2. 垂直入射的光線如何折射？垂直入射的光線如何折射？3. 3. 為什么右圖中玻璃杯中的鉛筆為什么右圖中玻璃杯中的鉛筆沒有變成兩根？沒有變成兩根？第第2 2講講 晶體光學基礎原理晶體光學基礎原理. .下下光率體光率體：表示光波在晶體中傳播時，折射率值隨光波振動方向變化規(guī)律的一種

21、光性指示體。（是光的振動方向，不是傳播方向，決定了晶體光學性質） 二、晶體光率體晶體光率體 (Optic indicatrix)（重要！重要?。┕饴鼠w不是實際的物體，而是抽象模型，把礦物晶體的光學性質簡化為一幾何體半徑長度表示N的大小1.均質體光率體 Isotropic indicatrix u不同方向振動的光波N相等，為一圓球體u只有一個折射率值Nu任何切面都是圓切面u圓切面的半徑NNNNN為什么關注光率體切面？為什么關注光率體切面？2.一軸晶光率體 Uniaxial indicatrix p 形態(tài)：旋轉橢球體，旋轉軸與結晶軸c軸一致p c軸入射光波,在c軸的平面內振動，折射率為No，不發(fā)生

22、雙折射。故c軸 OA。p c軸入射光波，分解為和c軸振動的兩種偏光，折射率為Ne，No。NeNo（1 1）特征）特征 (2)(2)光率體要素光率體要素： 有No和Ne兩個主折射率，或光率體橢球半徑，介于之間者為Ne |NeNo|為最大雙折射率 有一個光軸（OA） /Ne/C軸NoNoNeNeOAOANeNo,NeNo,正光性正光性如石英如石英NeNo,Ne Nm NpNgNmNpXYZOAOAOAOA(2)光率體要素：u 三個主折射率：Ng(Ng)Nm(Np)Npu 兩個OAu 光軸角（2V）：OA銳夾角u Bxa：OA銳角平分線,=Ng或Np；Bxo：鈍角平分線u光軸面（OAP）：包含兩個O

23、A的切面Ng(Bxa)NpBxoNm正光性：正光性：Ng=Bxa負光性負光性: :Ng=Bxo(3) 光性正負之分近似公式：近似公式： Ng-Nm Nm-NpNg-Nm Nm-Np近似公式：近似公式： Ng-Nm Nm-NpNg-Nm Nm-Np(4)主要切面及意義a.切面：半徑為Nm的圓切面，可測m的顏色和折射率，錐光下可測軸性和光符，2V大小。NmNm切面有幾個？b. OAP切面：NgNp面（光波沿Nm軸入射發(fā)生雙折射），為橢圓，長短半徑為Ng和Np，雙折射率Ng-Np，為二軸晶礦物最大雙折率。NmNmc. Bxa的切面(): Ng軸的切面，NmNp面。為橢圓切面,長短半徑為Nm、Np。雙

24、折射率Bxa的切面(): Np軸的切面, NmNg面。為橢圓切面,長短半徑為Ng、和Nm。雙折射率d. Bxo的切面(): Np軸的切面,NmNg面。為橢圓切面。長短半徑為Ng和Nm。雙折射率Bxo的切面():Ng軸的切面,NmNp面。橢圓切面。長短半徑為Nm和Np. 雙折射率e.斜交切面: 不OA和主軸。有無數個，均為橢圓切面, 可分為: 任意斜交切面:橢圓的長短半徑以Ng和Np表示, NgNgNmNpNp。雙折射率Ng- Np半任意斜交切面:又稱主軸面的斜交切面，即 NgNp、NgNm、NmNp面的斜交切面。切面橢圓長短半徑中，總有一個半徑是主軸（Ng,Nm,Np), 另一個是Ng或Np.

25、小 結 光率體定義：表示光波在晶體中傳播時，其振動方向與相應折射率值之間關系的光性指示體。均質體為圓球體，一軸晶為旋轉橢球體，二軸晶為三軸橢球體。 1、形狀從簡單到復雜，切面、光率體要素也從簡單到復雜. 2、一軸晶為二軸晶2V0時的特殊情況. 3、均質體也可以作為一軸晶Ne=No的特殊情況. 4、二軸正光性，當Nm=Np時變?yōu)橐惠S（+）光性. 二軸負光性，當Nm=Ng時變?yōu)橐惠S（-）光性.Z三、光性方位 (Optic orientation)光性方位：光性方位： 光率體主軸與晶體結晶軸間的關系。光率體主軸與晶體結晶軸間的關系。xyz 1. 1. 均質體的光性方位均質體的光性方位 光率體為圓球，無方位可言。光率體為圓球，無方位可言。2.2.中級晶族中級晶族（一軸晶）（一軸晶）的光性方位的光性方位光率體為旋轉橢球體，旋轉軸為Ne= 高次對稱軸(C軸) = OA。一軸晶正光性礦物的光性方位一軸晶正光性礦物的光性方位一軸晶負光性礦物的光性方位一軸晶負光性礦物的光性方位石英的光性方位石英的光性方位方解石的光