晶体的光学性质
正交偏光镜下的晶体光学性质
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云母试板（1/4λ） ---颜色的变化时针对矿物薄片的干涉色。 光程差为147nm，干涉色为一级灰白； 使矿片的干涉色升、降一个色序。 如矿片为一级紫红，升高变为二级蓝，降低变为一级橙黄。 晶体干涉色为二级绿（800nm），升高变为（947nm）二级橙黄，降低变为（653nm）二级蓝色 适用于干涉色级序一级、二级和三级的晶体。
3.影响光程差的因素有哪些？
R=V0(tg-tp）=D(Vo/Vg-Vo/Vp)=D(Ng-Np)=D*△N
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tp、tg：快光、慢光通过厚度为D的薄片所需要时间； VP、Vg：光在晶体中的传播速度；
N：晶体的双折射率。 决定光程差的因素是薄片的厚度和晶体的双折射率值。
问题：影响干涉色的因素有哪些？
1.干涉色只决定于光程差，于晶体的颜色无关；
决定光程差的大小因素是薄片的厚度(D)和切面方位中的双折射率(Ng-Np)，薄片的厚度和切面方位中的双折射率决定了干涉色；
α角的大小只影响干涉色的亮度而不影响干涉色本身的颜色；
干涉色：正交偏光下用白光观察时，非均质体矿片呈现的各种颜色。 随着光程差的逐渐增加，产生了一系列有规律变化的干涉色序。为了将光程差不等而颜色相同的干涉色区别开来，用特征色将干涉色分级，每级内干涉色均按照一定的次序出现，称为干涉色级序。 第一级序（0~560nm）：暗灰—灰白—浅黄—亮黄—橙—紫红 第二级序（560~1120nm）：蓝—蓝绿—绿—黄—橙—紫红 第三级序（1120~1680nm）：蓝绿—绿—黄—橙—红 第四级序（1680nm以上）：粉红—浅绿—浅橙- 高级白：更高级序各色光波混杂形成一种与珍珠表面相似的亮白色。
正交镜间晶体光学性质课件
的偶数倍，使该部分单色光抵消或减弱；同时该光程差又 可能相当或接近于另一部分单色光半波长的奇数倍，使另 一部分单色光不同程度加强。
不同程度加强的单色光混合，构成与该光程差相应的混
合颜色，它是白光通过正交镜间矿片后，经过干涉作用形 成的，故称为干涉色。
干涉色不是矿物本身的颜色，与单偏光镜下矿片显示的
正交镜间晶体光学性质课件
17
⑴如果光源为单色光时，在正交镜间45°位置插入 石英楔，视域内将逐渐出现明暗相间的干涉条带。
正交镜间晶体光学性质课件
18
明暗条带间距取决于单色光的波长。红光的波 长最长，其明暗条带间距也最大，紫光的干涉条 带间距则最小。
正交镜间晶体光学性质课件
19
⑵若光源为白光时，除R＝0外，任何一光程差都 不可能同时等于各个单色光半波长的偶数倍，所以 不可能使七种单色光同时抵消而出现黑带。
具体表现为干涉色级序降低（比原 来干涉色级序高的矿片降低，不一定 比原来干涉色级序低的矿片降低）。 若R1＝R2，则R＝0，此时矿片消色 而变黑暗。
正交镜间晶体光学性质课件
36
补色法则的应用：
在两个晶体切片中，如果有一矿片的光率体椭 圆半径名称及光程差为已知，当它们在正交镜间 45°位置重叠时，观察干涉色级序的升降变化，根 据补色法则可以确定另一个矿片的光率体椭圆半径 名称及光程差。
正交镜间所呈现干涉色的互补色。
例如R为550nm时，在正交镜间呈现一级紫红干涉色， 而在平行偏光镜间则呈现黄绿色干涉色。
❖薄片鉴定中，平行偏光镜间的观察较少。一般可用于区 分一级灰白与高级白干涉色。正交镜间的一级灰在平行 偏光镜间则变为暗橙红色，而高级白仍为白色。
晶体一般特点
晶体一般特点晶体是由原子、分子或离子按照一定的规则排列而形成的固态物质。
晶体具有一些特点，下面将从多个方面进行描述。
1. 有序性：晶体的原子、分子或离子呈现规则的排列方式，形成有序的晶格结构。
这种有序性使晶体具有规则的外形和内部结构。
2. 高度对称性：晶体的晶格结构具有高度对称性，即晶体中的各个部分呈现出相同的形态和性质。
这种高度对称性使得晶体在三维空间中具有特定的几何形状。
3. 物理性质的各向同性：晶体的物理性质在各个方向上基本相同，即具有各向同性。
例如，晶体的热导率、电导率和光学性质在各个方向上基本相等。
4. 具有周期性：晶体的晶格结构具有周期性，即晶体中的原子、分子或离子在空间中周期性重复出现。
这种周期性使晶体具有特定的晶格常数和晶胞。
5. 明确的熔点：晶体具有明确的熔点，即在一定的温度下，晶体经过熔化转变为液体。
这是因为晶体的有序结构在熔化时被破坏，原子、分子或离子之间的相互作用减弱。
6. 具有特定的光学性质：晶体对入射的光具有特定的反射、折射和吸收特性。
这是由于晶体中的原子、分子或离子的排列方式对光的传播产生特定的影响。
7. 具有特定的电学性质：晶体在外加电场下会表现出特定的电学性质，如电导率、介电常数和压电效应等。
这是由于晶体中的原子、分子或离子之间的电荷分布和相互作用的特点。
8. 具有特定的磁学性质：晶体在外加磁场下会表现出特定的磁学性质，如磁化强度、磁导率和磁各向异性等。
这是由于晶体中的原子、分子或离子之间的磁矩相互作用的特点。
9. 具有特定的力学性质：晶体在外力作用下会表现出特定的力学性质，如弹性、塑性和脆性等。
这是由于晶体中的原子、分子或离子之间的键合强度和排列方式的特点。
晶体具有有序性、高度对称性、各向同性、周期性和特定的物理、光学、电学、磁学和力学性质。
这些特点使晶体成为研究材料科学、凝聚态物理和固体化学等领域的重要对象，也使晶体在生活和工业中有着广泛的应用。
晶体结构与性质知识点总结大一
晶体结构与性质知识点总结大一晶体结构与性质知识点总结晶体是由具有一定规则排列方式的原子、离子或分子组成的固体物质，拥有特定的结构和性质。
晶体结构与性质是材料科学与化学领域的重要基础知识，对于理解和研究材料的性质、制备工艺以及应用具有重要意义。
本文将对晶体结构与性质的相关知识点进行总结。
一、晶体结构1. 空间点阵：晶体的基本结构单位是晶胞，晶胞在空间的无限重复构成空间点阵。
六种常见的空间点阵包括：立方点阵、四方点阵、正交点阵、六方点阵、单斜点阵和三斜点阵。
2. 晶体的晶格参数：晶体的晶格参数是对晶格进行定量描述的基本参数，包括晶格常数、晶胞参数和晶胞角度。
晶格常数是指晶胞的尺寸，晶胞参数是指晶体中原子间距的大小，晶胞角度则描述了晶体中原子间的排列方式。
3. 晶体的晶系：根据晶体的对称性，可以将晶体分为七个晶系，分别为立方晶系、四方晶系、正交晶系、六方晶系、三斜晶系、单斜晶系和菱面晶系。
每个晶系都具有特定的组成、结构和性质。
4. 晶体结构类型：根据晶体结构的特征，可以将晶体分为离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体等。
各类晶体的结构特点不同，从而决定了它们的性质和用途。
5. 点阵缺陷：晶体中可能存在的点阵缺陷包括空位、层错、插入固溶体和间隙固溶体等。
这些点阵缺陷对晶体的导电性、热导率和力学性能等起着重要的影响。
二、晶体性质1. 光学性质：晶体在光的照射下表现出特定的光学性质，包括吸收、折射、散射和双折射等。
不同晶体的光学性质可用于光学器件、光纤通信和激光技术等领域。
2. 电学性质：晶体的电学性质与晶体结构和成分密切相关。
离子晶体具有良好的导电性，而共价晶体和分子晶体通常是绝缘体或半导体。
晶体的电导率、电介质性能和电子输运性质等是电学性质的重要指标。
3. 磁学性质：晶体的磁学性质与晶体结构和电子自旋有关。
常见的磁性晶体包括铁磁体、反铁磁体和顺磁体等。
磁性晶体在磁记录、磁存储和磁共振成像等方面具有广泛应用。
正交偏光镜下晶体光学性质
思索题（1）
1. 单偏光和正交偏光下所观察到旳晶体“颜色” 有何区别？
2. 一般辉石为正光性晶体，在正交偏光下其最高 干涉色为二级黄（R＝880nm），⊥Bxa 切面具 有一级亮灰干涉色（R＝210nm），设 NgNm=0.019，求薄片厚度。
3. 斜长石旳Ng=1.563, Nm=1.555, Np=1.511, 薄片 厚度为0.03mm，问它在正交偏光镜下应有旳干 涉色（光程差）怎样？
同名轴平行
340nm
900nm
1460nm
(b) 云母试板
产生147nm旳光程差，一级灰白干涉色， 为黄色光波长旳四分之一，升降一种色序， 云母试板合用于鉴定一、二、三级干涉色， 不适于鉴定四级以上干涉色。
二级蓝
二级绿
二级橙黄
异名轴平行
147nm
147nm
同名轴平行
653nm
800nm
947nm
(c) 石英楔
sin 2
2 sin 2 (R
/ )
R=(2n+1)λ/2时，sin(Rπ/λ)=1，视域最亮
R=nλ时，
sin(Rπ/λ)=0，视域最暗
白光旳干涉
干涉色等级
第一级：0-560nm 各色光具一定亮度，有一级白，无蓝色与绿色。 第二级：560-1120nm 颜色鲜艳，色带之间界线较清楚。 第三级： 1120-1680nm 颜色不如二级鲜艳，色带之间旳界线不清楚。 第四级：1680nm以上 色调很淡，色带之间逐渐过渡，无明显界线。 五级以上，呈高级白。
9. 双晶
简朴双晶、聚片双晶、联合双晶、格子双晶
5.锥光镜下晶体光学性质 （1）锥光镜旳装置
在正交镜基础上，加聚光镜，换高倍物镜。 去掉目镜（或保存目镜+勃氏镜）
2.4_正交偏光镜下晶体光学性质
(2)、干涉色级序 在正交偏光镜间缓慢推入石英楔子，随石英楔的慢慢推入， 其光程差由小到大连续变化，视域内出现有规律的连续干涉色， 这种干涉色依次变化的顺序叫干涉色级序： 第一级序：暗灰—灰白—浅黄—亮黄—橙—紫红 第二级序：蓝—蓝绿—绿—黄—橙—紫红 第三级序：蓝绿—绿—黄—橙—红 第四级序：粉红—浅绿—浅橙 高级白：更高级序各色光波混杂形成一种与珍珠表面相似的亮 白色。 特征： 每个级序的顶部均以紫红色或红色为标志。
四、 正交偏光镜下晶体光学性质
1、正交偏光镜的装置及光学特点
是在单偏光镜的基础上，
加上上偏光镜，并使上、 下偏光的振动方向相互 垂直。这样，在不放任何 矿片的情况下，视域应该
是黑的。如果不黑，表明
上、下偏光的振动方向 没有相互垂直，需要调整。
2、 消光现象
消光：矿物在正交偏光镜间呈现黑暗的现象。 全消光：转动物台360°,矿片一直消光的现象。 成因：为均质体及垂直光轴切片，他们不改变下 偏光光波的振动方向，光波不能透过上偏光镜。 四次消光：转动物台360°,矿片呈四次明、暗的现象。 成因：非均质除垂直光轴以外的切片，光率体为椭 圆，转动物台360°,光率体椭圆长、短半径与上、 下偏光振动方向AA、PP有四次平行的机会，出现四 次消光。
常见的双晶类型：
① 简单双晶；② 聚片双晶；③ 卡钠复合双晶； ④ 格子双晶； ⑤ 卡斯巴双晶。
钾长石的卡斯巴双晶
微斜长石的格子状双晶
斜长石的聚片双晶和卡钠联晶
思考题
1、单偏光和正交偏光下所观察到的晶体“颜色”
有何区别？ 2、斜长石的Ng=1.563, Nm=1.555, Np=1.511, 薄片厚度为0.03mm，问它在正 交偏光镜下的最高干涉色为何？估计其光程差 大小。
晶体的结构与性质
晶体的结构与性质晶体是由原子、分子或离子有序排列组成的固体物质。
它们具有高度的周期性和对称性，这导致了晶体与其他非晶体固体在性质上的差异。
晶体的结构决定了它们的物理和化学性质。
本文将探讨晶体的结构与性质之间的关系，并介绍一些常见的晶体结构。
一、晶体的结构晶体的结构是指晶体中原子、分子或离子的排列方式。
晶体的结构可以通过X射线衍射等实验方法进行研究和确定。
根据晶体结构的不同，可以将晶体分为正交晶系、立方晶系、六方晶系、四方晶系、三斜晶系和三角晶系等几个主要类别。
在晶体的结构中，原子、分子或离子按照一定的规则排列，形成周期性的空间网络。
这个空间网络由晶格点和晶胞构成。
晶格点是晶体结构中最小的重复单元，晶胞则是由一个或多个晶格点组成的空间区域。
不同的晶体结构具有不同的特点。
例如，立方晶系的晶体结构具有最高的对称性，晶格点位于立方体的顶点、中心和边心位置等规则位置。
而六方晶系的晶体结构则具有六角形晶胞和六方柱的对称性。
二、晶体的性质晶体在许多性质上与非晶体有明显的区别。
晶体的周期性结构导致了许多特殊的物理和化学性质。
1. 光学性质：由于晶体结构的周期性，晶体对光的传播和吸收具有特殊的规律性。
晶体可以表现出各种各样的光学效应，如散射、折射、吸收和双折射等。
这些光学性质常常用于晶体的识别和应用。
2. 热性质：晶体的热导性和热膨胀性与其结构有密切关系。
晶体的周期性结构使得热能在其中传导时受到阻碍，导致晶体具有较低的热导率。
此外，晶体的热膨胀性也因结构的周期性而呈现出特殊的规律性。
3. 电学性质：晶体中的离子或电子在结构的作用下呈现出特定的电学性质。
晶体可以表现出正电介质、负电介质、半导体和导体等不同的电导特性。
这些性质与晶体中离子或电子的移动、相互作用以及能带结构等因素密切相关。
4. 力学性质：晶体的结构对其力学性质也有显著的影响。
晶体的硬度、断裂韧性、弹性模量等力学特性与晶体结构的紧密程度、原子排列的方式等因素有关。
晶体的认识
晶体的认识
晶体是一种固态物质，其分子、原子或离子按照一定的规律排列而形成的具有有序结构的晶格。
晶体具有一系列特定的物理、化学和光学性质，对于科学、工程和技术领域都具有重要的意义。
1.结构特征：
有序排列：晶体内部的原子、分子或离子按照规则排列成三维结构，形成紧密有序的晶格。
周期性结构：晶体结构具有周期性，即晶胞结构会在三个方向上不断重复。
各向同性：晶体的性质在各个方向上基本上是相同的，具有各向同性的特点。
2.形成与生长：
凝固过程：晶体通常是在液态物质凝固时形成的，根据条件的不同，可以形成不同形态的晶体。
生长过程：晶体的生长是晶体原子或分子逐渐在晶体表面上沉积并排列，逐渐扩大晶体尺寸的过程。
3.物理性质：
光学性质：晶体具有各向异性，对于光的传播有一定的影响，因此在光学器件中具有广泛的应用。
热学性质：晶体的热传导、热膨胀等性质因晶格结构而异，影响材料的热学性能。
电学性质：某些晶体表现出特定的电学行为，如电介质、半导体和导体等。
4.应用与意义：
材料工程：晶体材料在材料科学和工程中具有广泛的应用，如半导体、光电子器件等。
地球科学：晶体矿物是地球科学中研究地壳结构和地球演化的重要对象。
化学合成：某些晶体结构被用于设计新型的化学反应和合成方法。
晶体的研究涉及多个领域，其特殊的结构和性质使其在科学研究、工程应用和技术创新中发挥着重要作用。
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ne
ne
主截面
no
C
K o光
te
e光
ne
no
i o
q
光轴
P
ne
B （a）
U
B
（b）
单轴晶正入射（a）和斜入射（b）的STU截面的双折射光路
K te
晶体
C
晶体的线性光学性质
偏振光的干涉：
频率相同的两线偏振光的叠加， S1 a1 cost 1, S2 a2 cost 2
振动方向互相平行： I I1 I2 2
材料名称
KDP ADP
铌酸锂
铌酸钡钠
淡红银矿 （合成）
碘酸 碘酸锂
硒 碲 辰砂（合成）
化学式
对称性
KH 2PO4 NH 4 H 2 PO4
42m 42m
LiNbO3
3m
Ba2NaNb2O15 mm 2
Ag3 AsS3
3m
HIO3
222
LiIO3
6
Se
32
Te
32
HgS
32
绝对值
（10-12 m /V ） 36 0.63
晶体的非线性光学性质
几种主要的单轴晶非线性光学晶体的性质：
材料
透明波段
（m ）
KDP
42m，负
0.2~1.5
DKDP
42m，负
ADP
42m，负
0.2~1.6 0.2~1.2
CDA
0.26~1.43
42m，负
RDP
42m，负
LiIO3
6，负
0.22~1.4 0.3~3.5
L3miN，b负O3
0.4~5
光率体：介电不渗透性系数 ij 的示性曲面，有下列重要性质：
➢ 任一矢径代表一个 D 的方向，矢径的长度或模，表示该 D方向的折射率：
n 1
➢ 给出了晶体中与 K 相联系的两种偏振光波的振动方向和他们的折射率
➢ 从光率体中可以求出与 D 相应的 E 的方向，光线方向 St 以及离散角
x3
B
D
KP
1.06μ
光轴0.5角3μ色散（主轴//晶轴）
2次轴（b轴）方向主轴不发生色散
无规则
LiNb O3 在不同波长下的折射率曲面
晶体的线性光学性质
晶体中的光路
mi
在
晶
体
ni
界
晶体
面
上
i ii mii i1i2 mi2
q
mi1
双折射光波
m
晶体
m 1
2 1
m 2
ni
i
mi
q
双反射光波
S
AT光轴 AD在 晶P 体
能量守恒定律 动量守恒定律
位相匹配条件：n11 n22
表3 单轴晶的位相匹配方式和条件
11 22
位相匹配 匹配方式
正单轴晶（ ne no ） ee o
负单轴晶（ ne no ） ooe
第一类
（平行 式）
匹配条件
倍频光 极化强度
n1e m n2o
n1o n2e m
Peoe2 F1,, in EeEe Poeo 2 F2,, inEoEo
HgS
32，正 0.63~13.5
使用波长
（m）
1.06 0.53 1.06 0.53 1.06 0.53 1.064 0.532 1.064 0.532
1.06
1.06
10.6 1.06
吸收系数
（cm1）
0.03
折射率
（no20no ）e
无
部分介质有（水晶）
晶体的线性光学性质
晶体中的双折射现象：
当入射光正交入射到方解石菱面上时，折射光会分成两束，一束遵守折射定律，
称为常光（o光），一束偏离入射光路（折射角不为零），称为非常光（e光）。
o光e光 偏振特性
均为线偏振光 互相垂直
O 入 射 光
P
o光不随方向变化 折射率特性
e光随方向变化 光轴方向特性：无双折射
晶体的线性光学性质
晶族
高级晶族 （光学均质体）
晶
体
的 中级晶族
（单轴晶）
分
类
：
低级晶族 （双轴晶）
晶系
立方晶系
三方晶系 四方晶系 六方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系
对称特点（特征对称要素）
晶胞参量
独立参量个数
多
于 一
在立方体对角线方向有四
abc
个 个3次轴（旋转轴或旋转
高 次
倒反轴）
90o
晶体的非线性光学性质
晶体的非线性光学性质：
定义：在激光出现后，由于光源场 E 太强，使得 P 与 E 呈现出幂级数的关系：
P 0[ 1E 2E2 3E3 ]
式中， 1为线性极化系数， 2 和 3 等称为介质的非线性极化系数。
倍频效应的发现：
红宝石脉冲激光器（694.3 nm） 透镜
水晶片（石英板）
1
轴
菱形
abc
唯一的高次轴为3次轴
只 （旋转轴或旋转倒反轴） 三方
abc
2
有
90o , 120o
一
个 唯一的高次轴为4次轴
abc
2
高 （旋转轴或旋转倒反轴）
90o
次
轴 唯一的高次轴为6次轴 （旋转轴或旋转倒反轴）
abc 2
90o , 120o
有两个互相垂直的2次轴
量常数，但在各向异性介质中则为与方向有关的张量。
各向同性介质
各向异性介质
D 与 E 的方向
相同
不一定相同
t 与 K 的方向
右手螺旋正交 矢量系统
相同
不一定相同
一组：
两组： D，H，mK
DE，H，mK/St
E，H，St
光线速度 t 是否等 于光的相速
相等
不一定相等
是否有双折射现象
无
有
是否有旋光现象
递增
直线-椭圆-圆-椭 圆-直线
直线-不同取向 的椭圆-直线
二分之一波片、四分之一波片，八分之一波片和全波片
晶体的线性光学性质
晶体中双折射光的干涉：（条件：晶体界面垂直于一主轴，正交入射）
入射光
o光
e光
起偏镜P
晶体
检偏镜A
接收屏
平行偏光镜 正交偏光镜
D
P
C
D
A
E
F
o
B
D
I
OD2
cos2
sin
2 sin
n1 n3
c2
x2
负单轴晶折射率面
x3
x2
n2 n1
n2
c1
n3
x1
n3
n1 n2 n3
x1
双轴晶折射率面的主轴截面
晶体的线性光学性质
折射率的色散： 当光波的波长变化时，折射率会相应的改变
n2
A
2
B1 B2
C1
C2 2
其中，A, B1, B2,C1,C2为待定系数， 为真空中波长。
光率体或折射率面的色散：由于主折射率随波长而变化，晶体中光率体和
mK
St
E
n
D
x1
n o
A D
x2
r
o
由光率体求解给定 K 方向上两个偏振波 的折射率和 D 的方向
光波中的 D 、E 、St 、mK 个矢量间的关系
晶体的线性光学性质
晶体对称性对光率体的影响:
高级晶族晶体：
晶 体
（4个三次轴）
对
称
性
制
中级晶族晶体：
约 （只有一个高次轴）
光轴
D
no
no no
o no
泵浦光相遇，发生混频，产生 p -s p - p -s s 的极化
波，最后产生的 s 光波同最初的 s光波满足位相匹配，使得原
始信号放大，这就是参量放大。
光参量振荡：光参量放大过程中，当泵浦光提供的增益超过s 和i 的腔体损耗
时，便产生振荡。
晶体的非线性光学性质
拉曼散射：
自发拉曼散射：1928年，光波被原子或分子散射后会发生频率的改变。 受激拉曼散射： 1963年，Eckhardt在金刚石、方解石、硫磺中首次观察
光通过方解石晶体时产生的双折射现象
晶体的线性光学性质
各类晶体的双折射现象：
高级晶族晶体：各方向折射率相同，不产生双折射。
中级晶族晶体：产生一束为o光，一束为e光的双折射，e光的折射率随 K 的
方向 而改变。
Ee De
x3 c
te
K,to
o
x2
DoEo x1
E D
I
o
E H，D
t
K
t
II
2
sin2
晶片效应
晶体的线性光学性质
晶片的锥光干涉图：在显微镜的载物台下加一短焦距的聚光透镜，并在检偏镜
与目镜之间加入勃氏镜，在高倍的接物镜下可以观察晶片 在聚敛偏光下的干涉现象，干涉图像称为锥光干涉图。
单轴晶或双轴晶
晶体光性符号
光率体方位
单轴晶的光轴干涉图
双轴晶锐角等分线干涉图（a） 0 位ͦ 置；（b） 45 位ͦ 置
晶体的非线性光学性质
光混频和光参量振荡：
能量守恒定律 动量守恒定律
位相匹配条件： 1 1 2
n1 1
2 1 2
n2 2
n33
频率上转换：夜视仪（热辐射 可见光）
频率下转换：远红外光研究
光参量放大：假设有信号频率 s 存在于晶体中，用一强激光投射到晶体上