晶体光学必备知识点

晶体光学- 必备知识点

以上是吉林大学鸽子楼老师多年课件总结经典内容。

第一章晶体光学基础

晶体光学涉及某些重要的物理光学原理和结晶矿物学基础知识，本章要求学生重点掌握光的偏振现象、折射及折射率、光在晶体中的传播特性、晶体中的双折射现象、光率体和光性方位。其中重点是晶体中的双折射现象和光率体的构成；难点是光性方位。

一、光的基本性质及有关术语

光具有“波粒”两相性。晶体光学主要利用的是光的波动理论。

光波是一种横波。光的传播方向与振动方向互相垂直。晶体中许多光学现象与此有关。

可见光：电磁波谱中波长范围390—770nm 的一个区段，由波长不同的七色光组成。

自然光：在垂直光波传播方向的断面内，光波作任意方向的振动，且振幅相等。

偏振光：在垂直光波传播方向的断面内，光波只在某一固定方向上振动。自然光转化为偏振光的过程称偏振化。

折射定律：Sin i（入射角）/ Sin a（折射角）= V i（入射速度）/ V a（折射速度）= N i a N i a为介质a对介质i的相对折射律。当介质i为真空时，N i a称介质的（绝对）折射律，以N 表示。N 是介质微观特征的宏观反映，是物质的固有属性之一，因此它是鉴定矿物的重要光学常数之一。

全反射临界角和全反射：当光波从光密介质入射到光疏介质时，入射角i 总是小于折射角

a ，当a = 90 °时，i = ，此时入射角称为全反射临界角。当入射角i > 时，折射

光波不再进入折射介质而全部返回到入射介质，这种能量的突变称为全反射。

、光在晶体中的传播

根据光在物质中的传播特点，可以把自然界的物质分为光性均质体和光性非均质体。性均质体：指光学性质各方向相同的晶体。包括等轴晶系的矿物和非晶质物质。

·光波在均质体中的传播特点：光的传播速度不因光的振动方向不同而发生改变（各向同性），联系折射定律可知，均质体的折射率只有一个。

·光性非均质体：光性非均质体的光学性质因方向不同而改变（各向异性）。包括中级晶族（一轴晶）和低级晶族（二轴晶）的矿物。

·光波在非均质体中的传播特点：光的传播速度因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。因而非均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同而改变。

·有关术语介绍：双折射、双折射率、光轴、一轴晶矿物、二轴晶矿物。

（1）双折射：光波射入非均质体，除特殊方向外，将分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏光，这种现象称为双折射。（2）双折射率：两种偏光的折射率值之差称为双折射率。许多晶体光学现象与此有关。

（3）光轴：光波沿非均质体的特殊方向入射时，不发生双折射，这种特殊的方向称为光轴。

中级晶族具有一个这样的特殊方向，称为一轴晶矿物；低级晶族具有两个这样的特殊方向，称为二轴晶矿物。

三、光率体

光率体是表示光波在晶体中传播时，折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形或

一种光性指示体。其作法是设想自晶体中心起，沿光波振动方向按比例截取相应的折射率值，再把各个线段的端点连接起来便构成了光率体。

·均质体光率体：其传播速度不因振动方向不同而发生改变，即折射率值各方向相等。

因此均质体光率体是一个球体，球体的半径代表该晶体的折射率。

·一轴晶光率体：一轴晶光率体是一个以C 轴为旋转轴的旋转椭球体。

（1）有关术语解释：光学主轴（Ne轴、No轴）；主折射率（Ne、No）；折射率（Ne'）；正光性（Ne>No）；负光性（Ne

（2）主要切面类型：

1）垂直光轴切面：圆切面。半径为No，光波垂直该切面入射不发生双折射。

2）平行光轴切面：椭圆切面。长短半径分别为Ne 或No，光波垂直该切面入射发生双折射，双折射率等于Ne与No 的差的绝对值，为一轴晶晶体的最大双折射率。

3）斜交光轴切面：椭圆切面。长短半径分别为Ne'或No，双折射率等于Ne'与No 的差的绝对值，介于零与最大值之间。

·二轴晶光率体：二轴晶光率体是一个三轴不等的椭球体。

（1）有关术语解释：光学主轴（Ng、Nm、Np轴）；主折射率（Ng、Nm、Np；且Ng> Nm> Np）；主轴面；两根光轴（OA）；光轴面（AP）；光轴角（2V）；锐角等分线（Bxa）；钝角等分线（Bxo）；正光性；负光性。

（2）主要切面类型：1）垂直一根光轴切面（OA）：圆切面。半径为Nm，光波垂直该切面入射不发生双折射。

2）平行光轴面切面（AP）：椭圆切面。长半径为Ng，短半径为Np，光波垂直该切面入3）垂直Bxa 切面：椭圆切面。对于正光性，长半径为Nm，短半径为Np，双折射率等于Nm-Np；对于负光性，长半径为Ng，短半径为Nm，双折射率等于Ng-Nm。

4）垂直Bxo切面：椭圆切面。正光性和负光性的长短半径的特点与垂直Bxa 切面相反。

5）斜交切面：椭圆切面。长短半径分别为Ng'和Np'（Ng'大小介于Ng 与Nm之间；

Np'大小介于Nm与Np之间），双折射率等于Ng'- Np '。

四、光性方位

指光率体在晶体中的位置，即光率体主轴（No、Ne轴或Ng、Nm、Np轴）与结晶轴（a、

b、c 轴）之间的相互关系。对低级晶族（二轴晶）矿物具有重要的鉴定意义。

·高级晶族: 可不考虑其光性方位问题。

·中级晶族（一轴晶）：结晶轴C轴与光轴Ne 轴一致。

·低级晶族（二轴晶）：分为以下三种情况。

（1）斜方晶系：三个主轴分别平行结晶轴。

（2）单斜晶系：晶体的b 轴与三个主轴之一平行。

（3）三斜晶系：三个主轴与三个结晶轴均斜交。

第二章偏光显微镜

（透射）偏光显微镜是岩矿综合鉴定的精密光学仪器，与一般生物显微镜的主要区别在

于安装有两个偏光镜。本章教学目的是结合实物使学生了解偏光显微镜的基本构成、必备附件、使用方法及养护规则。

一、偏光显微镜的构成

·机械系统主要部件

（1）镜座与镜臂：支撑显微镜及连接光源、物台、镜筒。

（2）镜筒：连接目镜和物镜的部件.

（3）物镜转换器：用于安装、选择不同倍数的物镜。

（4）载物台：放置薄片用的可3600 转动的圆形平台

（5）焦准设备（升降系统）：分粗调和微调，作用是调节焦距，使物象清晰。

（6）聚光镜架：连接聚光镜、下偏光镜、上锁光圈等的部件。

（7）上、下锁光圈：控制光的通过量。

·光学系统主要部件

（1）光源：分为自然光源和人工光源，目前多数显微镜采用人工光源。

（2）下偏光镜：在聚光镜架底部，作用是把自然光转变为偏光。其振动方向一般为东西向。（3）聚光镜：在聚光镜架上部，作用是把偏光转变为锥光，使显微镜处于偏光系统。

（4）物镜：由多组透镜组成，连接在物镜转换器上，是决定放大倍数及成像质量的重要部件。

按放大倍数分为三类：

高倍镜（40 倍和100 倍）中倍镜（10 倍和20 倍）、低倍镜（2.5′和4 四倍）。（5）目镜：由眼透镜和场透镜组成。目镜中附有十字丝，倍数有10 倍和8 倍两种。

（6）上偏光镜：位于目镜和物镜间，振动方向与下偏光振动方向垂直，可自由推入或拉出。（7）勃氏镜：位于目镜和上偏光镜间，可自由的推入或拉出，与聚光镜和高倍镜配合使用。

二、偏光显微镜的调节与校正

·选择并装配物镜和目镜：按需要选择物镜和目镜，在安装目镜时注意其内十字丝的方向。·调节照明：打开光源灯，调节变压器旋扭，直到亮度适度为止。

·焦准：将薄片置于物台上，在教师指导下，用粗调或微调调焦至物象清晰。在此过程中，千万注意，物镜前透镜不要与薄片接触，以免打碎薄片或损坏镜头。

·物镜中心的校正：物台旋转轴、物镜中轴、镜筒中轴、目镜中轴必须保持在一条直线上，偏光显微镜才能正常使用，目前有关物镜中心的校正将由指导教师来完成。

·下偏光镜的检查：下偏光镜的振动为东西向。当黑云母的解理平行下偏光镜的振动方向时颜色最深，据此可以检查、调节下偏光镜的振动方向。

·上偏光镜的检查：移去薄片，视域黑暗，说明上偏光振动方向与下偏光振动方向互相垂直。

否则，需要进行调节，调节工作由指导教师来完成。

三、偏光显微镜的养护

偏光显微镜价格昂贵并且是我们日常教学和科研中必备的光学仪器。要想保证偏光显微镜的良好使用状态，延长偏光显微镜的使用寿命，就必须精心养护，有关偏光显微镜的使用规定及养护原则请参见实验室管理规定及教科书第49 页。

第三章单偏光系统下晶体的光学性质

单偏光系统是指在只使用下偏光镜（起偏镜）的情况下，观察和测定矿物光学性质的系统。在单偏光系统下，自光源发出的光波通过下偏光镜后变成振动方向平行下偏光镜振动方向的偏光，然后通过薄片到达目镜，将产生一系列光学现象。矿物的外表特征（形态、解理等）、与矿物吸收性有关的光学性质（颜色、多色性、吸收性等）、与矿物折射率有关的光学

B B 性质（突起、闪突起、糙面、边缘、贝克线、色散线等） 、矿物的形态

1）控制因素： 矿物成分、内部结构、物化条件、晶出顺序。

2）观察内容： 矿物自形程度、矿物单体形态、矿物集合体形态。

·矿物自形程度： 自形晶、半自形晶、它形晶。

·矿物单体形态： 粒状、针状、板（条）状、柱状、片状。

·矿物集合体形态： 纤维状、放射状、球粒状、网状、交生状、雏晶状。

3）观察方法 ：同一矿物不同切面特点不同（图 3-1 ），因此需要综合不同切面的特征，才 能正确判断出矿物的单体形态。

图 3-1 同一单体不同切面形态示意图

二、解理及解理夹角

（1）解理的表现形式： 在薄片中，解理表现为沿一定方向平行排列的细缝 （ 解理缝 ）。缝中

为树胶所充填，因矿物的折射率与树胶不同而使解理缝得以显现。

（ 2）解理等级的划分： 薄片中的解理按其完善程度可以分为三级。 ·极完全解理： 解理缝 很细、很密集、很清楚，且贯穿整个晶体，例如黑云母的解理。

·完全解理： 解理缝清楚，疏密中等，不完全贯穿晶体，例如角闪石的解理。 ·不完全解理： 解理缝宽而稀疏，不清楚，断续通过晶体，例如橄榄石的解理。

（3）影响解理缝清晰程度的因素： 主要应考虑以下三方面。

·矿物解理的完善程度： 解理缝清晰程度解理的完善程度成正向关系。 ·切片的方向： 切片的法线方向与解里面平行时解理最清楚。随着两者夹角增大，解理缝 变得不清楚。增大到一定角度时，解理缝就看不见了，这个角度称解理可见临界角。

·矿物折射率： 矿物折射率与加拿大树胶折射率的差值 . 决定着解理缝的可见临界角。 （4）解理等级和组数的判定 ：综合观察多种切片才能得出正确的结论（图 3-2A ）。

（5）解理缝与裂纹的区别： 解理缝较细密、平直，且缝的间距大致相等，以此区别于裂纹。 （6）解理夹角的测定：

·切片方向的选择 选择同时垂直两组解理面的切片（图 A ），特征是两组解理缝最细最清

楚，当解理缝平行目镜十字丝时，微微升降镜筒，两组解理缝不左右移动。

·解理夹角的测定步骤： 将选择好的切片置于视域心。 转动物台， 使一组解理缝平行目镜

十字丝纵丝，读取此时物台刻度盘上的度数 a （图 B ）；再转动物台，使另一组解理缝 平行目镜十字丝纵丝，读取此时物台刻度盘上的度数 b （图 C ），a 与 b 的差就是所测 解理夹角。

图 3-2 切片的选择及解理夹角的测定步骤示意图

。其中难点是突起及其判断标志。 E

H

A C

、与矿物吸收性有关的光学性质（颜色、多色性、吸收性）

（1）颜色：指在单偏光镜下，白光透过晶体后所呈现出来的颜色，它是矿物对不同色光选择性吸收的结果。注意，薄片中的颜色不同于手标本的颜色。

（2）多色性和吸收性：在单偏光镜下，某些非均质体矿物的颜色随物台转动而发生变化，这种现象称为多色性，颜色深浅的变化成为吸收性。

·成因：非均质体矿物非垂直光轴切片，各方向的光学性质不同，对光波的选择性吸收及吸收总强度也随方向而变化，只是多数非均质体矿物这种变化不明显而已。

·表达方式：多色性公式和吸收性公式

多色性公式：Ne= 浅紫色No= 深蓝色; Ng= Nm= Np=

吸收性公式：Ne > No（正吸收）或Ng > Nm > Np（反吸收）等. ·影响因素：矿物本身性质, 切片方向, 薄片厚度。

四、与矿物折射率有关的光学性质（边缘、贝克线、糙面、突起、闪突起）

（1）突起：在薄片中观察，不同矿物的表面有高低不平的感觉，这种现象称突起。·原因：不同矿物折射率与树胶折射率的差值不同，像点的位置就会高低不一样。·分类：矿物的折射率大于树胶的折射率时，称正突起，矿物的折射率小于树胶的折射率时，称负突起。

具体划分为六个等级（表3-1）

表突起等级分类及各级突起主要特征

2）闪突起：在单偏光镜下，旋转物台，双折射率很大的矿片，突起高低会发生明显的变化。这种现象称闪突起。方解石、白云母等矿物的闪突起是其重要的鉴定特征。3）贝克线和边缘折射率不同的矿物接触时，由于光的折射和反射作用，使其接触处的光线聚散不一。光线集中的一侧产生一条亮线，称贝克线（光带）；光线缺少的一侧产生条黑暗的轮廓，称边缘。它们可以用来判断相邻两矿物折射率相对大小（突起高低）。4）糙面：矿物表面的光滑程度不同，有些矿物的表面显得较为粗糙，这种现象称糙面。

第四章正交偏光系统下晶体的光学性质

正交偏光系统指在同时使用上、下两个偏光镜的情况下，观察和测定矿物光学性质的系统。在正交偏光系统下，通过下偏光镜的偏光，进入薄片，通过上偏光镜后到达目镜，将产生一系列光学现象。内容包括消光现象及消光位、干涉现象及干涉色、补色法则和补色器及正交偏光间主要光学性质的观测和测定。注意，在不放任何矿片时，通过下偏光镜的光波其振动方向与上偏光镜的振动方向互相垂直，光波不能通过，视域黑暗，以此可以检查上、下两个偏光镜的振动方向是否互相垂直。

一、正交偏光镜间矿片的消光现象及消光位

·消光现象：矿片在正交偏光镜间呈现黑暗的现象。按其特点分为全消光和四次消光。

·全消光：旋转物台一周，均质体或非均质体垂直光轴切片的消光现象（黑暗）不改变。·四次消光：旋转物台一周，非均质体晶体非垂直光轴切片的光率体椭圆半径有四次与下偏光镜平行的机会，故出现四次黑暗（消光）现象。

·消光位：非均质体非垂直光轴切片在正交偏光镜间处于消光现象时的位置。注意，矿片处于消光位时矿片光率体椭圆半径分别与上、下偏光镜的振动方向平行。二、正交偏光镜间矿片的干涉现象

（1）干涉作用：非均质体晶体非垂直光轴的矿片，其光率体椭圆半径与上、下偏光镜振动方向斜交（即矿片不在消光）时，透过晶体分解的两束光波，频率相等，具有固定的光程差且在同一平面内振动（上偏光镜振动面），因此必然发生干涉作用。

（2）控制因素：光程差（R）。如果光源为单色光，当光程差等于该单色光半波长的偶数倍时干涉的结果是互相抵消而变黑暗；当光程差等于单色光半波长的奇数倍时，干涉的结果是互相迭加使亮度增强；如果光程差介于二者之间，干涉的结果介于黑暗与最亮之间。

·光程差R = d ·△。其中，d 为矿片厚度；△为矿物的双折射率。·45 位置：矿片的光率体椭圆半径与上、下偏光镜成450 角（矿片最明亮）时的位置。（3）干涉色及其成因·如果光源为单色光，随着光程差的逐渐增大，将依次出现明亮相间的干涉条带。改变光程差的方法是利用石英楔。

·如果光源为白光, 干涉结果就是一系列复杂彩色条带的组合。即干涉色。（4）干涉色级序及各级序特征

用白光做光源，在正交偏光镜间缓慢推入石英楔，随着石英楔的慢慢推入，光程差连续地增大，视域内出现的干涉色由低到高有规律的变化，这种规律性变化叫做干涉色色序。通常可以划分为四- 五个级序（干涉色色谱表）。当光程差非常大时，将出现一种与珍珠表面类似的亮白色，称高级白干涉色。