晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論課件

晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論講課內(nèi)容安排1晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論（2課時(shí)）2光率體與光性方位（2課時(shí)）3偏光顯微鏡（1課時(shí)）4單偏光鏡下的晶體光性特征（5課時(shí)）5正交偏光鏡下的晶體光性特征（6課時(shí)）6錐光鏡下的晶體光性特征（4課時(shí)）7造巖礦物（2課時(shí)）講課內(nèi)容安排1晶體光學(xué)基礎(chǔ)理論（2課時(shí)）2光率體與光性方位（2課時(shí)）3偏光顯微鏡（1課時(shí)）4單偏光鏡下的晶體光性特征（5課時(shí)）5正交偏光鏡下的晶體光性特征（6課時(shí)）6錐光鏡下的晶體光性特征（4課時(shí)）7造巖礦物（2課時(shí)）實(shí)驗(yàn)課安排單偏光下晶體光學(xué)性質(zhì)（4課時(shí)）偏光顯微鏡的構(gòu)造與使用解理、多色性、邊緣、糙面

突起等級(jí)、貝克線正交偏光下晶體光學(xué)性質(zhì)（4課時(shí)）

補(bǔ)色法則，干涉色級(jí)序消光類型，消光角聚斂偏光下晶體光學(xué)性質(zhì)（2課時(shí)）一軸晶干涉圖二軸晶干涉圖1.晶體光學(xué)(透明礦物晶體光學(xué))是研究可見光,尤其是可見偏光通過透明礦物晶體所產(chǎn)生的折射、雙折射、偏振、干涉、吸收、色散等一系列光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)學(xué)科.使用的主要儀器有透射偏光顯微鏡、偏光儀等。2.絕大多數(shù)造巖礦物、寶玉石礦物在薄片中是透明的，晶體光學(xué)是鑒定和研究巖石和寶玉石顯微結(jié)構(gòu)的基本技術(shù)。透明礦物不透明礦物3.晶體光學(xué)和造巖礦物是巖石學(xué)、礦物學(xué)、寶玉石學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科研究的基礎(chǔ)課程之一。引言:為什么學(xué)習(xí)晶體光學(xué)

4.晶體光學(xué)應(yīng)用的理論、設(shè)備、對(duì)象基礎(chǔ)理論——光率體晶體光學(xué)研究中主要是應(yīng)用偏光使用的儀器——偏光顯微鏡研究對(duì)象——礦物和巖石5、怎樣學(xué)好本課程1.復(fù)習(xí)好課程的預(yù)備知識(shí)

結(jié)晶學(xué)：晶體對(duì)稱，分類，晶體定向，晶面符號(hào) 物理學(xué)：幾何光學(xué)：折射，反射 物理光學(xué)：光的波動(dòng)性，干涉 礦物學(xué)：礦物手標(biāo)本鑒定特征(晶形，解理，顏色)2.備齊教學(xué)用書（晶體光學(xué)）3.正確的學(xué)習(xí)方法每次課前預(yù)習(xí)30－60分鐘；課堂記筆記課后要復(fù)習(xí)30－60分鐘重視實(shí)驗(yàn)課，不準(zhǔn)缺實(shí)驗(yàn)課1.1光的性質(zhì)與傳播1.2自然光和偏光1.3光的反射與折射1.4折射率與折射率儀1.5光的雙折射1.6一軸晶和二軸晶第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)光是一種由光子組成的電磁波，電磁波的振動(dòng)方向與傳播方向互相垂直，即電磁波是橫波，故光波亦是橫波。

光波是橫波的概念，在晶體光學(xué)中有不少現(xiàn)象(單偏光、正交偏光、干涉)都與此特征有關(guān)。1.光是一種電磁波1.1光的性質(zhì)與傳播波長：在一束光波中，兩個(gè)相鄰的同位相點(diǎn)之間的距離，以λ表示。同一束光波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其波長隨介質(zhì)的物理性質(zhì)不同而改變。頻率：波源在一秒種內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，以f表示。波源不變，則頻率不變，不受介質(zhì)影響。周期：波源完成一次振動(dòng)所需要的時(shí)間，以T表示。f=1/T。波速：在單位時(shí)間內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)在傳播方向上的位移距離，以V表示，V=λ/T=fλ。同一束光波在不同的介質(zhì)中波速會(huì)發(fā)生改變。振幅：質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)方向上距平衡位置的最大位移距離，以A表示。位相：質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置（為正弦曲線的中軸線）后所經(jīng)歷的時(shí)間，可以用周期的分?jǐn)?shù)表示，如T/n(n>1)位相差：如果有兩束頻率、波長、傳播方向相同的光波不同時(shí)達(dá)到平衡位置，那么兩者相鄰的同位相點(diǎn)（如波峰）之間的距離，可以用波長的分?jǐn)?shù)表示，如λ/n據(jù)其波長全部范圍:1015-10-5nm按波長大小，劃分為: 無線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線,等2.電磁波波譜能量增大頻率增大波譜能用三種方式表示：頻率(Hz)波長(nm)能量(eV)可見光是電磁波譜中很窄的一段，它是正常人的眼睛能見到的一段電磁波．它的波長范圍大致為390－770nm

單色光是一定頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)同種顏色的光波長增大波長單位通常用納米(nm)或埃(?)表示，一納米是一米的十億分之一,是一根頭發(fā)直徑的大約八萬分之一，常用長度單位的換算關(guān)系為：1nm(納米)=1mμ(毫微米)=10-3μm(微米)=10-6mm(毫米)=10-9m(米) =10?(埃)3、波長的換算1.1光的性質(zhì)與傳播1.2自然光和偏光1.3光的反射與折射1.4折射率與折射率儀1.5光的雙折射1.6一軸晶和二軸晶第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)1.2自然光和偏光

截面為圓，半徑為振幅根據(jù)光波振動(dòng)方向的差別，可以把光波分為自然光和偏光。1.自然光：指直接由太陽或光源發(fā)出的、在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)作全方向、等振幅振動(dòng)的光。只在垂直傳播方向的某一固定方向上振動(dòng)的光波，稱為平面偏振光或偏光。偏光—自然光經(jīng)過反射、折射、雙折射或選擇性吸收等作用后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠庹駝?dòng)面—偏光振動(dòng)方向與傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動(dòng)面。2.偏光偏光化作用—將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)槠獾淖饔?。晶體光學(xué)是巖石觀察的基礎(chǔ)：偏光顯微鏡－巖石礦物薄片－觀察偏光下的特征攝影方面：過濾雜光－濾光片，只讓某一方向的光通過——————就是偏光化作用過濾雜色－濾色片，只讓某種顏色光通過，如藍(lán)色，大海和天空3.偏光化作用1.1光的性質(zhì)與傳播1.2自然光和偏光1.3光的反射與折射1.4折射率與折射率儀1.5光的雙折射1.6一軸晶和二軸晶第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)1.3光的反射與折射1、光的直線傳播定律

光在同一種物質(zhì)中傳播的路線是呈直線的，稱為光的直線傳播定律。例如：陽光照進(jìn)房里、夜間手電筒、激光束、激光筆等的傳播。2、光的反射及反射定律反射(Reflection)：光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，在光滑界面上，如果部分光仍回到原來的介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為光的反射。反射定律反射光線位于入射光線與界面的法線所決定的平面內(nèi);入射線和反射線分別位于法線的兩側(cè)；3.反射角與入射角相等。反射光在地學(xué)中的應(yīng)用反射現(xiàn)象與反射率是非常重要的,特別是在金屬礦物與寶玉石行業(yè)，非常有用。礦相學(xué)：反光顯微鏡,用于不透明的金屬礦物觀察,例如方鉛礦、閃鋅礦等。不透明的金屬礦物反射圖像反射光在地學(xué)中的應(yīng)用不透明的金屬礦物反射圖像（根據(jù)祝向平資料）光片中磁黃鐵礦與黃銅礦（反光鏡下）3、光的折射及折射定律光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，在界面處傳播方向便會(huì)發(fā)生改變，即入射光線和折射光線不在一直線上，這種現(xiàn)象稱為光的折射(Refraction).法線入射角－

i折射角－

r1)、定義：2)、折射定律（1)折射線處于入射線與法線構(gòu)成的平面內(nèi)；（2)入射線與折射線分別位于法線兩側(cè),若光疏-光密,

i>r,反之光密-光疏,

i<r.3)、折射率(Indexofrefraction)（1)斯涅耳定律sini/sinr=Vi／Vr=Nr-i

Nr-i為常數(shù)，僅與r，i介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，為相對(duì)折射率（2)折射率定義——光在真空與其他物質(zhì)中傳播速度之比稱為該物質(zhì)的折射率N：N=V真空／V物質(zhì)=sini/sinrN真空=1，N空氣=1.0003自然界一切N>=1引申：光波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的折射率成反比；當(dāng)光線由介質(zhì)A進(jìn)入介質(zhì)B時(shí)，NB=C/VB;NA=C/VA有NB/NA=VA/VB=sinA/sinB阿貝折射率儀工作原理AB當(dāng)光線由B射入A，如果入射角增至一定角度，使折射角等于90°，這個(gè)入射角稱為全反射臨界角，簡稱臨界角；入射角大于全反射臨界角的所有入射線均發(fā)生全反射。4、全反射i=,r=90i>,全反射5、折射率與臨界角的關(guān)系及其應(yīng)用NBsini=NAsinr若i=,r=90NBsin=NAsin90=NA所以：sin＝NA／NB若A為空氣，NA

=1.0003sin＝1

／NB則任何一個(gè)已知N的物質(zhì),均可以求出

例如：寶石加工，金剛石＝24°20’i=,r=90i>,全反射1).折射率與臨界角的關(guān)系寶石的折射率為常數(shù),因此臨界角也是一個(gè)常數(shù),是無法改變的,唯一能改變的是光線從寶石內(nèi)進(jìn)入空氣前的入射角.

若琢型設(shè)計(jì)能盡可能使光線的入射角大于臨界角,則光線就只在寶石內(nèi)發(fā)生全反射,好的琢型可以使大部分的光線經(jīng)過全反射從寶石冠部射出,從而增強(qiáng)寶石的亮度.鉆石的折射率大，臨界角小，全反射范圍寬，反射量大，打磨后呈極強(qiáng)金剛光澤．入射光折射光法線臨界角全內(nèi)反射光Diamond2).折射率與臨界角關(guān)系的應(yīng)用——寶石加工例如：寶石加工，

金剛石sin＝１/2.42＝０.41＝24°20’

水晶sin＝１/1.55＝０.65＝40°50’6、光的色散（DispersionofSunlight）白光通過透明物質(zhì)分解成七色光稱色散,也稱火彩．波長較長的紅光折射率較小，波長較短的紫光的折射率較大．自然光在三棱鏡中的傳播自然光在三棱鏡中的傳播分解成七色光對(duì)于不同波長的光波，介質(zhì)具有不同的折射率。通常所稱的折射率是以黃色光作為光源時(shí)物質(zhì)的折射率。折射率色散強(qiáng)弱一般用藍(lán)光與紅光折射率差值來描述。鉆石的色散率：D=N（鉆石紫）-N（鉆石紅）=2.451-2.407=0.044是所有天然無色寶石中最高的寶石的色散折射、折射率、臨界角的相互關(guān)系及其意義，折射率是用光學(xué)方法鑒定透明礦物最可靠的參數(shù)；也是寶石加工的首選參數(shù)。入射光折射光法線臨界角全內(nèi)反射光Diamond一顆鉆石的包含的光學(xué)原理————進(jìn)入鉆石內(nèi)部的光線，由于鉆石相對(duì)空氣為光密介質(zhì)，光線便向法線方向折曲，稱為折射，之后，光線會(huì)從鉆石內(nèi)部向刻面反射，稱為內(nèi)反射．繼后，光線從鉆石冠部透出，并再次產(chǎn)生折射；白光從鉆石內(nèi)部折射回空氣中時(shí)，會(huì)分解成七色光，這種現(xiàn)象稱為色散，這就是鉆石產(chǎn)生火彩的原理．7、為什么研究折射率？折射率值的大小是與晶體的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，不同礦物的折射率值不同，因此折射率是鑒定礦物的重要光學(xué)常數(shù)之一。巖石薄片的許多鑒定特征,如糙面\突起\貝克線等都源自于基本的折射率特征。利用偏光顯微鏡觀察N,可以鑒定礦物的不同種類。1.1光的性質(zhì)與傳播1.2自然光和偏光1.3光的反射與折射1.4折射率與折射率儀1.5光的雙折射1.6一軸晶和二軸晶第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)1.5光的雙折射入射光物質(zhì)？1光波在均質(zhì)體和非均質(zhì)體中的傳播特點(diǎn)晶體的分類

根據(jù)透明物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，可劃分為兩大類：均質(zhì)體

等軸晶系礦物和非晶質(zhì)物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)各方向相同，稱為光性均質(zhì)體，簡稱均質(zhì)體，如石榴石、螢石、火山玻璃、加拿大樹膠等都是均質(zhì)體。非均質(zhì)體

中級(jí)晶族和低級(jí)晶族礦物的對(duì)稱程度低于等軸晶系礦物，其光學(xué)性質(zhì)隨方向而異，稱為光性非均質(zhì)體，簡稱非均質(zhì)體，如石英、長石、橄欖石等。絕大多數(shù)造巖礦物屬于非均質(zhì)體，是我們研究的重點(diǎn)。均質(zhì)體——光波入射晶體后，其在各個(gè)方向上的傳播速度都相等，所以只有一個(gè)折射率，不改變?nèi)肷涔獠ǖ男再|(zhì)，這樣的物體稱為光性均質(zhì)體，簡稱均質(zhì)體。其N在各個(gè)方向一樣,可以使光反射和折射,但是不改變?nèi)肷涔獾男再|(zhì)。 自然光——仍為自然光

偏光——仍為偏光3.對(duì)于一種均質(zhì)體,其N是唯一的.4.物質(zhì)舉例:一、光性均質(zhì)體(各向同性介質(zhì))常見造巖物質(zhì)中的均質(zhì)體石榴石白榴石螢石尖晶石火山玻璃蛋白石石鹽常見造巖物質(zhì)中的均質(zhì)體石榴石白榴石螢石尖晶石火山玻璃蛋白石石鹽螢石常見造巖物質(zhì)中的均質(zhì)體石榴石白榴石螢石尖晶石火山玻璃蛋白石石鹽二、光性非均質(zhì)體(各向異性介質(zhì))

1.定義：光波射入物質(zhì)時(shí)，其傳播速度隨振動(dòng)方向不同而發(fā)生變化，因而其折射率值也因振動(dòng)方向不同而改變，這樣的物體稱為光性非均質(zhì)體，簡稱非均質(zhì)體。非均質(zhì)體的折射率不只是一個(gè)，而是多個(gè)。舉例：冰洲石的雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象可通過冰洲石來做實(shí)驗(yàn)，如果將冰洲石（CaCO3）的一個(gè)解理面蓋在有一個(gè)黑點(diǎn)的紙上，透過冰洲石則出現(xiàn)兩個(gè)黑點(diǎn)，再在紙面上轉(zhuǎn)動(dòng)冰洲石時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)黑點(diǎn)o始終不動(dòng)，而另一個(gè)黑點(diǎn)e則圍繞這個(gè)不動(dòng)的黑點(diǎn)o作圓周運(yùn)動(dòng)。若將平躺的冰洲石慢慢以菱形的短軸(C軸)直立，則黑點(diǎn)e向黑點(diǎn)o靠攏，甚至兩點(diǎn)互相重合起來，說明光波沿C軸入射不發(fā)生雙折射，這個(gè)特殊方向稱為光軸。入射光進(jìn)入非均質(zhì)礦物后分解成兩束折射角不同，即傳遍速度不同的折射光。根據(jù)兩束光波的速度大小，分別成為慢光（Vg）和快光（Vp）（Vg<Vp）；折射率分別為Ng和Np，Ng>Np。兩個(gè)折射率之差（Ng-Np）稱為雙折射率，以△N表示。2.兩束折射光在晶體中不產(chǎn)生干涉條紋，所以他們一定是振動(dòng)方向相互垂直的偏光。特征2.雙折射— 當(dāng)光波射入非均質(zhì)體后，除特殊方向以外一般都將分解成兩束折射率不等、振動(dòng)方向互相垂直、速度不等的偏光，這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。

一切具有雙折射特征的介質(zhì)均稱為光性非均質(zhì)體。4.光性非均質(zhì)體特征光入射非均質(zhì)體后，傳播速度——隨著振動(dòng)方向不同而異——因而不同方向具不同主折射率例如：冰洲石,2個(gè)主折射率： No=1.658, Ne=1.486，

橄欖石：3個(gè)主折射率Ng=1.692, Nm=1.674 Np=1.653（1）存在多個(gè)折射率光入射非均質(zhì)體后，除了特殊方向外，都分解為振動(dòng)方向相互垂直的2束偏光——這就是偏光化。這2束偏光V、N不同，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象(2)改變?nèi)肷涔獾男再|(zhì)——偏光化和雙折射雙折射是光波通過非均質(zhì)體的普遍特征。當(dāng)入射光波為自然光時(shí)，非均質(zhì)體能改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)特點(diǎn)。當(dāng)入射光波為偏光時(shí)，也可以改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)方向。（3）光軸是不是光波沿任何方向射入都要發(fā)生雙折射呢？實(shí)驗(yàn)證明，光波沿非均質(zhì)體的特殊方向射入時(shí)（如沿中級(jí)晶族晶體的Z軸方向），不發(fā)生雙折射，基本不改變?nèi)肷涔獠ǖ恼駝?dòng)特點(diǎn)和振動(dòng)方向。在非均質(zhì)體中，這種不發(fā)生雙折射的特殊方向稱為光軸。光軸代表晶體內(nèi)部的一個(gè)方向，不是僅僅代表一條直線。中級(jí)晶族晶體只有一個(gè)光軸方向，稱為一軸晶；低級(jí)晶族晶體有兩個(gè)光軸方向，稱為二軸晶。1.1光的性質(zhì)與傳播1.2自然光和偏光1.3光的反射與折射1.4折射率與折射率儀1.5光的雙折射1.6一軸晶和二軸晶第一章晶體光學(xué)基礎(chǔ)1、一軸晶發(fā)生雙折射的特征特定頻率的光波射入一軸晶礦物，發(fā)生雙折射分解成兩種偏光。1）傳播速度一束偏光的傳播速度不隨入射方向的改變而改變，即它的折射率為常數(shù)，這一束偏光稱為常光（以No表示）另一束偏光的傳播速度則隨入射方向的改變而改變，即它的折射率為變數(shù)，這一束偏光成為非常光（以Ne表示）2）振動(dòng)方向在晶體光學(xué)中，我們把入射光與光軸構(gòu)成的平面稱為入射面在一軸晶礦物中因?yàn)橹挥幸粋€(gè)光軸，故對(duì)于一個(gè)確定方向的入射光而言，只有一個(gè)入射面。常光的振動(dòng)方向總是垂直于入射面，而非常光的振動(dòng)方向總是平行于入射面光波射入一軸晶礦物（非均質(zhì)礦物）時(shí)，發(fā)生雙折射并分解形成兩種偏光:常光o—ordinary,方向垂直C軸,各個(gè)方向速度和N都完全相同—