晶体光学基础原理郭

前 言 晶体光学是研究可见光通过透明晶体时所产生的一些光学现象及其原理的一门科学。

不同的透明矿物显示的光学性质不相同，据此可鉴定透明矿物。

晶体光学是研究、鉴定透明矿物及岩石的重要方法。 晶体光学的应用已经不仅仅限于矿物学和岩石学方面，在玻璃、陶瓷、药品、盐类、铸石及建筑材料等方面， 也应用晶体光学原理和方法进行研究和鉴定。

学习目的1、学会使用偏光显微镜 2、掌握晶体光学的基本原理：折射，双折 射，全反射和全反射临界角，光的偏 振，光率体(核心，难点，重点), 光的干涉 3、用偏光显微镜鉴别矿物的方法和步骤 4、掌握常见造岩矿物(七大矿物)及宝石 矿物的鉴定特征

怎样学好本课程结晶学：晶体对称，分类，晶体定向， 晶面符号 物理学：几何光学：折射，反射 物理光学：光的波动性，干涉 矿物学：矿物的手标本鉴定特征(晶形，解理，颜色) 2. 备齐教学用书(晶体光学) 3. 有正确的学习方法 每次课前预习30-60分钟； 课堂记笔记 课后要复习30-60分钟 重视实验课，不准缺实验课，不许迟到 1. 复习好课程的预备知识

第一章 晶体光学基础原理

§1-1 光学基础知识一、光的波动性 二、可见光、单色光与白光、自然光与偏振光 三、光的折射与折射率 四、光的全反射和全反射角 五、光性均质体和光性非均质体 六、双折射和双折射率

一、光的波动性 光是一种电磁波，电磁波是电磁振动在空间的

传播过程 。电磁振动方向与其传播方向互相随 垂直，即电磁波是一种横波，因而光波也是一种 光波的振动方向垂直其传播方向，为横波。 横波。 光波是一种横波，它具有波动性，能够解释反 射、折射、干涉、偏振、色散、衍射等光学现象。 光波与机械横波(水波、地震横波等)不同， 不仅能在固体中传播，也能在液体中传播，还能 在空气和真空中传播。

二、可见光、单色光与白光、自然光与 偏振光

可见光是电磁波，但只是整个电磁波谱中很窄 的一小段，其波长范围约为390~770nm。

单色光与白光光的性质由光速v, 频率f, 波长λ决定，无论介质 如何，f是固定的，v, λ是可变的 单色光： 单色光是指频率固定，或某一窄小范围的光;可以 是自然光，也可是偏光。可分为：红、橙、黄、 绿、蓝、青、紫(波长逐渐减小)七种基本单色 光。 白光： 七种单色光混合的光，λ=580nm,与黄光波长 相近。

700nm

400nm

光波波长不同，呈现

颜色也不同。波长由长 到短，相应颜色依次为 红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫色。白光实际是 各种单色光按一定比例

混合而成的混合光。

紫 靛 蓝 绿

红 橙 黄

黄绿

3. 自然光与偏振光(1)自然光在垂直传播方 向的平面内各 个方向上都有 等幅的光振动

(2)偏振光只在垂直传播方向 的某一固定方向上振动

自然光是由无数方向横振动合成的复杂混合光波， 其振动特点是：在垂直光波传播方向的平面内，各 个方向上都有等振幅的光振动。 在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波， 称平面偏振光，简称偏振光或偏光。 偏振光的振动方向与传播方向所构成的平面称振动 面 自然光经过反射、折射、双折射及选择性吸收作用 可以转变为偏光。使自然光转变为偏光的作用称为 偏光化作用。

三、光的折射和折射率1、折射及折射率 N=Vi / Vr =sini /sinr , N 为折射介质对入射介质的相对 折射率。若入射介质为真空， 则N为折射介质的绝对折射率。 常把空气的折射率视为1 (1.00029)。 光在其它介质中传播速度总 是小于真空中的速度，故其它 介质的折射率总大于1。

i

n1(光疏质) n2(光密质)

r

四、全反射及全反射临界角

光线从光密质N射向光疏质n,折射角大于 入射角，当折射角大于90°时，折射现象将 不存在，光线发生全反射，此时的入射角称 为全反射临界角φ。 临界角的大小取决于两种介质的相对折射 率，即 n/N=sinφ/sin90° n=N×sinφ

五、光性均质体与光性非均质体1.均质体 指光学性质各个方向相同的物质，如：晶体：等轴晶系，如石榴石(高级晶族) 非晶体：玻璃、树胶、火山玻璃、液体

特点 传播速率不因振动方向的 不同而改变，任何方向振动 的光波都有相同的折射率

自然光仍为自然光，偏振 光仍为振动方向基本不变的 偏振光

2. 非均质体光学性质因方向而异的矿物，即除等轴晶 系以外的所有其它晶系的矿物

特点 传 播 速 度 随 光 波 的 振 动方向而变 除 特 殊 方 向 外 均 要 发 生双折射，分解成两个 振动方向互相垂直、传 播速度不同、折射率不 等的两种偏光。

非均质体中都有一个或两个特殊方向(光 轴OA),当光波沿这种特殊方向传播时不发 生双折射，也不改变入射光波的振动特点和振 动方向 中级晶族：三、四、六方晶系，沿一个方向不发生双 折射，只有此方向(一轴晶) 低级晶族：斜方、单斜、三斜晶系，有两个方向不发 生双折射(二轴晶)

六、双折射和双折射率

光波通过非均质体的重要特征是，除特殊方向外，都要分解成振动方向相垂直、波 速不等、折射率不等的两种偏光，这种现 象称为双折射。两种偏光的折射率值之差 称双折率。

当光波沿非均质体的某些

特殊方向传播

时(如中级晶族Z轴方向),不发生双折 射，基本不改变入射光的振动特点和方向。 把这一特殊方向称为光轴。 中级晶族晶体只一个光轴，称为一轴晶。 低级晶族晶体有两个光轴，称为二轴晶。

当光波射入一轴晶矿物时， 发生双折射分解形成两种偏 光，其中一种偏光的振动方 向永远与光轴垂直，其速度 及相应折射率不变，称为常 光，以“o”表示。 另一偏光的振动方向平行 于Z轴与光波传播方向所构成 的平面，其速度及折射率随 振动方向不同而改变，称为 非常光，以“e”表示。注意：光波在非均质体中传播时，决定光速及相应折射率 大小的是光波在晶体中的振动方向而不是传播方向。

§1-2 光率体 1、概念 2、光率体的作法 3、均质体的光率体 4、一轴晶光率体 5、二轴晶光率体

1、光率体概念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。

2、光率体的作法设想自晶体中心起，沿光波在晶体中的振动方 向，按比例截取相应的折射率值，每一个振动方向 都可作出一个线段，把各个线段的端点，连接起来

便构成该晶体的光率体。

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