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1、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 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?
2、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。?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?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
3、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1-36 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
4、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?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。?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、
5、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。?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
6、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
7、时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
8、最大和最小两个折射率的差值。?ne值与 n。值的相对大小，又可将一轴晶光率体分为正负两种光性。?当 ne>n。时，即直立轴是相对长轴时，称为一轴晶正光性 （见图 1-3-18（a）； ?当 ne<n。时，即直立轴是相对短轴时，称为一轴晶负光性 （见图 1-3-18（b）。3二轴晶光率体?1）形状：体，其光率体形状较为复杂，为一个三轴不等的椭球体 （即三轴椭球 体）（见图 1-3-20），称二轴晶光率体。?2）几个概念： a、光学主轴：二轴晶光率体的三轴椭球体中的三个互相垂直的主轴代表了二轴 晶宝石的三个主要光学方向，称为光学主轴，即 Ng轴、 Nm 轴、Np 轴。其中 Ng>
9、Nm>Np 。b、双折射率值：具二轴晶光率体的宝石矿物应有三个主折射率值，其中最大主 折射率值 Ng 与最小主折射率值 Np 的差值为其双折射率。d、主轴面：包括两个主轴的面称为主轴面 （主切面 ），二轴晶光率体有三个互相垂 直的主轴面，即 Ng-Nm面， Ng-Np 面和 Nm-Np 面。图 1-3-21表示二轴晶光率体 及其主要切面。?在二轴晶光率体中，直立轴两侧通过有两个以 nm 动特点及振动方向，这两个方 向即为二轴晶的光轴。 ?通过二轴晶光率体中心，只能画出两个圆切面，即只有两 个光轴方向 （以符号 OA 表示），故称为二轴晶。包括两个光轴的面称为光轴面， 光轴面与主轴面 ng
10、-np 一致。两光轴之间所夹的锐角称光轴角，以符号 “ 2V”表示 （图 1-3-21）。?根据 Ng、Nm、Np 光率体的光性符号，?当 Ng-Nm>Nm-Np 时为正光性 （图 1-3-21-a）， ?当 Ng-Nm<Nm-Np 时为负光性 （图 1-3-21-b）。?在二轴晶宝石中，当光波沿垂直于以 Nm 切面方向入射时 （沿光轴方向 ），不发生 双折射，相应的折射率值为 nm；?当光波垂直主轴面 Ng-Np 入射时（即沿 Nm轴入射），发生双折射，分解形成两种 偏光，相应的折射率分别为 Ng与 Np；当光波沿任意斜交切面 （主轴面以外的切 面）方向入射时，相应的折射率值为 Ng' 、Np'。