光的基本性质及宝石的光学性质
宝石学基础：宝石矿物的物理性质(光学性质).
宝石学基础：宝石矿物的物理性质（光学性质）光学性质光和宝石（自然光和偏振光）自然光经宝石（特别是各向异性宝石）反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后，可转变成只在一个固定方向内振动的光波，这种光称为偏振光。
偏振光是在单一平面内并只在与传播方向垂直的一个方向上振动的光。
1、光的反射是指落到宝石表面的一部分光由表面折回的现象。
由光的反射而提供的一系列重要的光学效应：光泽：金刚光泽、亚金刚光泽、玻璃光泽、树脂光泽、丝绢光泽、金属光泽宝石的光泽也称反射率，可通过反射率仪来测试。
特殊光学效应：光彩、猫眼效应、星光效应、晕彩。
亮度：是指光从宝石亭部小面反射而导致冠部呈现的明亮和度，取决于宝石的透明度和琢磨比例。
2、光的折射折射：是指光穿过两个不同光密度的介质时（入射线与分界呈900除外），其传播方向发生变化的现象。
全内反射；以临界角（折射角等于900时）为基准，所有小于临界角的角度与分界面相遇的入射光，将离开光密度较大的物质而进入光疏介质中。
所有大于临界角的入射光与分界面相遇时，将发生全内反射（遵守反射定律）并留在光密度较大的物质中。
3、宝石的颜色颜色不是物质固有的特征，它只是光作用于人的眼睛而在人的头脑中产生的一种感觉。
这是颜色的本质。
颜色形成的条件：白光源、改变光的物质（致色元素）、接受残余光的人眼和解释它的人脑。
宝石颜色引起的因素：化学元素（自色元素、他色元素），铬元素致色的重要性。
（红宝石、祖母绿、变石），电荷转移（堇青石），晶体结构缺陷造成电子转移（电子色心和空穴色心，如萤石）主要致色元素（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu），放射性元素如U、Th。
色散；如钻石干涉与衍射；如欧泊的晕彩。
月长石的光彩。
多色性：一轴晶宝石具二色性，二轴晶宝石具三色性。
4、宝石的透明度透明度就是指宝石矿物透过可见光的能力，主要与宝石矿物对光的吸收的强弱有关。
透明：宝石矿物碎片厚为0.01cm时能透光.半透明：宝石矿物碎片厚为0.01—0.001 cm之间时能透光。
02宝石学基础(光学物理学性质)
7 多色性
宝石晶体在透射光条件下，从不同方向观察呈现出不 同的颜色，这种现象称为多色性。对于有色宝石来讲， 一轴晶一般呈现二色性,二轴晶呈现三色性。
蓝宝石具二色性：垂直光轴方向呈现蓝色、平行光轴 方向呈现绿色。蓝色黝帘石呈现三色性：蓝色、紫色、 黄绿色。
8 光泽
光泽（luster）是宝玉石表面对可见光的反射程度， 是由其反射光的强度所决定的，与宝玉石本身的折射率 和吸收系数有关，折射率愈高、吸收系数愈大，则其光 泽愈强。光泽亦是宝玉石的鉴别特征之一。
(3)二轴晶：在非均质晶体中，有两个方向不发生双折射 的晶体，称为二轴晶。二轴晶包括斜方晶系、单斜晶系 三斜晶系。这三个晶系的晶体，光在三个方向传播速度 均不相同，故属二轴晶的晶体有三个折光率：Ng、Nm、 Np。当Np靠近Ng为二轴晶正光性，当Np靠近Ｎm时为二轴 晶负光性。
5 颜色
宝石的颜色是宝石经济评价的主要 依据。颜色是矿物的重要光学性质之一。 不少矿物有它的特殊颜色，因此它可以 作为矿物的一种鉴定特征。例如孔雀石 的特殊绿色、蓝铜矿的特殊蓝色都是鉴 别这些矿物的重要特征。
(2) 当 自 然 光 进 入 非 均 质 宝 石 后 ， 原来是在任意方向振动的自然光便 分解成相互垂直的两条偏振光，传 播速度除特殊情况外(光轴方向)也 不相等，呈现了两条折光率不同的 光波，此种现象称为双折射。最大 折光率值和最小折光率值间的差值， 称为双折射率。双折射及双折射率 是识别宝石的主要特征之一。
(2) 非晶质：有些貌似固态的物质，有一定的化学组成， 但质点只按短程有序排列，不具格子状构造，称为非晶 质，如玛瑙、火山玻璃、琥珀和人造玻璃等。
2.晶系
按照晶体中质点的对称程度将晶体划分为三个晶族 七个晶系。
宝石双折射率
宝石双折射率宝石双折射率概述宝石是一种常见的珠宝材料，也是一种重要的光学材料。
它具有许多特殊的光学性质，其中之一就是双折射率。
本文将详细介绍宝石双折射率的相关知识。
什么是双折射？当光线通过某些晶体时，会发生折射现象。
在普通折射中，入射光线和出射光线在同一个平面内，并且两者之间的角度相等。
但是，在某些晶体中，入射光线会被分成两个方向的偏振光线，这种现象被称为双折射。
如何测量双折射？为了测量一个晶体的双折射率，需要使用一个称为波片的装置。
波片可以将入射光线分成两个方向的偏振光线，并且可以控制这两个偏振光线之间的相位差。
通过测量在不同相位差下出射光线的偏振状态和强度，可以计算出该晶体的双折射率。
什么是宝石双折射率？宝石是一种具有双折射性质的晶体。
它的双折射率取决于入射光线的波长、入射角度和晶体的结构。
在宝石中，双折射率通常被表示为两个值，一个是快轴方向上的双折射率，另一个是慢轴方向上的双折射率。
不同种类宝石的双折射率不同种类的宝石具有不同的双折射性质。
下面列出了一些常见宝石的双折射率数据：1.钻石：快轴方向上为0.004，慢轴方向上为0.0082.红宝石：快轴方向上为0.0085，慢轴方向上为0.0093.蓝宝石：快轴方向上为0.0078，慢轴方向上为0.00824.祖母绿：快轴方向上为0.0056，慢轴方向上为0.0061应用由于其特殊的光学性质，宝石被广泛用于各种光学应用中。
例如：1.光学仪器：由于其高透明度和双折射性质，宝石被广泛用于光学仪器中，如激光器、显微镜和望远镜。
2.宝石珠宝：由于其高硬度和美丽的外观，宝石被广泛用于珠宝制作中。
3.天然宝石：许多天然宝石，如红宝石和蓝宝石，都具有双折射性质。
这些天然宝石可以通过测量其双折射率来进行鉴定。
总结本文介绍了宝石双折射率的相关知识。
通过了解不同种类宝石的双折射率数据以及其应用领域，可以更好地理解这种特殊的光学现象。
金绿宝石
金绿宝石金绿宝石是赫赫有名的五大宝石之一。
因其独特的黄绿至金绿色的外观而得名，以其特殊的光学效应而闻名。
其中最有名的当属金绿宝石猫眼（真猫眼），而变石更是被誉为“白昼里的祖母绿，黑夜里的红宝石”。
一、金绿宝石的基本性质成分与结晶习性：金绿宝石在矿物学中属金绿宝石族，斜方晶系。
其化学成分为铍铝氧化物（BeAl2O4）,常含有微量Fe、Cr 、Ti等。
矿物晶体常呈板状、短柱状晶形，常形成轮式三连晶（假六方三连晶）。
光学性质：●颜色：金绿宝石有绿色、金黄色、黄绿色、咖啡色（褐色）、蓝绿色等。
其中以绿色、金黄色、黄绿色最受欢迎。
●金绿宝石通常为玻璃光泽至亚金刚光泽；亚透明—透明。
(猫眼通常为亚透明—半透明)●金绿宝石为非均质体，二轴晶正光性。
●折射率：1.74-1.75，密度3.75。
●金绿宝石具三色性，猫眼多色性较弱，变石的多色性很强。
在紫外灯下通常无荧光。
●吸收光谱：黄绿色金绿宝石及猫眼皆由 Fe3+ 致色，具相似吸收光谱，主要产生445nm为中心的强吸收带。
变石的变色效应因含微量Cr 元素，其吸收光谱具 Cr 吸收特征：具680nm、678nm吸收线，630nm-580nm部分吸收，紫区全吸收。
●金绿宝石中，通常出现猫眼效应及变色效应，又可出现更为珍贵的变色猫眼，星光效应极少。
力学性质：●硬度：8-8.5；密度3.73(±0.02)●金绿宝石具三组不完全解理，常出现不均匀贝壳状断口。
猫眼和变石一般无解理。
显微特征：猫眼内部主要含有大量平行排列的丝状金红石包体或管状包体。
变石内部主要含有指纹状包体及丝状物。
二、金绿宝石的品种1）金绿宝石：无任何特殊光学效应的金绿宝石2）猫眼：具猫眼效应的金绿宝石。
在光线照射下，猫眼表面呈现一条明亮的光带，光带随着宝石或光线的转动而移动。
在两个光源下，随着宝石的转动，眼线会出现开闭现象。
在聚光光源下，宝石向光的一半呈现其体色，另一半呈现乳白色。
3）变石：具变色效应的金绿宝石，又称为亚历山大石（1830年，在俄国沙皇亚历山大二世生日当天发现了变石，故命名为亚历山大石）。
蓝宝石材料的光学性能及其应用研究
蓝宝石材料的光学性能及其应用研究蓝宝石，即铝氧化钻石，是一种常见的宝石材料，拥有高度的光学透明度及优异的物理化学性质，因此在近几年被广泛研究并应用于光学器件、激光技术、微电子学等领域。
本文将就蓝宝石材料的光学性能及应用进展做一简要介绍。
蓝宝石材料是一种具有特殊晶体结构的材料，其晶格常数与钻石十分接近，因此具有极高的硬度和高温抗性，也可在高温或强酸强碱环境下保持稳定性。
由于蓝宝石材料光学质量好、透光性高、折射率低、温度系数小，在光学器件、激光技术、微电子学等领域中具有良好的应用前景。
一、蓝宝石的物理化学性质蓝宝石材料的化学分子式为AL2O3，其硬度为9，居于经典矿物硬度表的第二位，理论密度为3.98g/cm3。
蓝宝石通过晶体生长技术生产出来的蓝宝石晶体通常不大，因而可以应用在一些微型设备上，例如制造MEMS器件和深紫外LED。
此外，蓝宝石晶体抵御强酸、高温、高压、真空等多种恶劣环境的能力比较强。
二、蓝宝石的光学性能蓝宝石的透明度非常高，通常在UV（紫外线）到IR（红外线）波长范围内具有极高并且表现稳定的透明度，同时反射率低。
这种透明度以及对光的反射能力被广泛地利用于光学器件中，例如光学器件透镜（Linear），也可以应用在激光器和LED器件上。
三、蓝宝石的应用进展1. 蓝宝石激光器蓝宝石材料具有双折射性，且具有高光学质量（Homogeneity、refractive uniformity、特殊晶体结构），能输出近似于100%的线偏振光，能够提供高功率输出。
蓝宝石激光器可以应用在医学领域激光治疗，检测金属和塑料零件的紫外线辐射等领域。
2. 蓝宝石透镜由于蓝宝石透光性高且相对固有的物理化学性质，蓝宝石透镜在紫外线成像、光学测量等领域具有很好的应用前景。
由于蓝宝石能够将光分离为线偏振光和非线偏振光，这种性质被广泛利用于光学传感器、无线电和雷达器件等领域。
3. 蓝宝石硅制品各种个样的硅制品，包括耐磨装置、轴瓦、轴承、高性能梭子块和各种滑动零件等，使用了蓝宝石的优异硬度和高温抗性的特性。
宝石的光学性质
3、宝石加工中，多色性对于宝石工匠很重要。具 有多色性的宝石加工中必须正确取向。如红、蓝宝石加 工中必须顶刻面垂直C轴方向，方可显示最好的颜色
六．多色性
宝石名称 光性 基本体色 多色性颜色
红宝石
蓝宝石 祖母绿 红柱石 堇青石
U（－）
U（－） U（－） B（－） B红色蓝色 绿色绿褐色 蓝色红色和橙色
八．发光性
宝石的发光性可用来鉴定宝石 ：
1、帮助区分某些天然宝石的人造宝石：天然蓝宝石无荧光， 合成蓝宝石发红色荧光；
2、帮助区分群镶钻石及钻石仿制品：群镶钻石LW下发出的荧 光强度和荧光的颜色有差异，群镶钻石仿制品发出均匀性荧光
3、帮助鉴别某些人工处理宝石：翡翠在紫外光下发出浅色荧 光，B货翡翠在紫外光下注胶的地方发出不均匀性荧光 4、X-射线下天然珍珠不发荧光（除淡水或某些澳大利亚海珍 珠发出浅黄色光外），人工养殖珍珠X-射线下发出强的荧光和 磷光。
以红宝石为例，常光线方向为红色，非常光线方向为橙 色。因为这两条光线振动方向不同，平行于这两个方向晶体 的原子结构有所不同，并以不同方式影响这两条光线，影响 着折射的路径，也就决定了两条光线中每一条的残余色。
六．多色性
三色性：为双折射的二轴晶宝石，通常具有三个方 向性的颜色 ，常称为三色性。 多色性的作用： 1、某些宝石种显示不同的多色性，对鉴定有帮助； 2、显示多色性的宝石，必定具有双折射
宝石的物理性质：光学性质.
宝石的物理性质：光学性质光学性质概述宝石矿物的光学性质在宝石鉴定、评价以及设计加工中均具有极其重要的意义。
首先，宝石的颜色、光泽以及所具有的一些特殊的光学效应都是光与宝石相关作用的结果，因此，光与宝石间相互作用产生的效应是评价宝石价值高低最重要的依据；第二，对宝石（特别是成品）的鉴定，一般要求无损伤鉴定，所依据的主要是宝石的光学性质，如折射率、双折射率等，因此，光学性质对宝石鉴定至关重要；第三，为了最大限度地体现宝石的美，必须将宝石所能产生的最吸引人的效果显示出来，为此，加工中必须充分了解宝石的光学性质。
因此，光学性质对于宝石的重要性体现在评价、鉴定与加工等方面（见图1-5-1）。
图1-5-1 光与宝石的关系示意图光的本质光的本质很早就引起人们的注意。
但直到近代，人们才认识到光是一种电磁波，它既具有波动性又有粒动性。
波动性说明光是按波的形式以30万km/s的速度在真空中传播；电磁波的振动方向垂直于传播方向，即光波是横波，并可用波长、波幅来表示（见图1-5-2）。
其图1-5-2 光的波动特性示意图中波长表示电磁波的能量大小，波幅表示电磁波的强度。
整个电磁波是一个广阔的领域，它包括了波长极长的无线电波（波长1000-2000m之间），到极短的宇宙射线（波长小于10-4nm）。
电磁波从无线电波到红外线、可见光、紫外线、X-射线、r•射线，最后到宇宙射线，依次按波长顺序排列，组成一个完整的电磁波谱。
由电磁波谱可知，可见光只是整个电磁波谱中极窄的小段，其波长约为780nm-380nm。
这小段电磁波能引起人的视觉反映，即能为人眼所看见，故称可见光。
不同波长的可见光可呈现不同颜色。
当波长由大到小，相应的颜色由红（780-630nm）、橙（630-590nm）、黄（590-550nm）、绿（550-490nm）、蓝（490-440nm）、紫（440-380nm）。
普朗克和爱因斯坦经研究证明，光不但具有波动性，而且具有粒动性。
宝石的光学性质
１）变彩效应：是由于特殊的结构（如宝石内部有微裂隙、结构空隙、双晶面、解理面以及晶体离溶的微晶片等）使光发生干涉、衍射作用而产生一种漂浮的五彩缤纷游动的色晕。
随着光源或观察的角度的变化，颜色也发生变化。
最典型的例子是欧泊欧泊的特殊结构决定了其变彩的能力和变彩特点：当二氧化硅的大小大于可见光波长时，可见光直接通过，不具有变彩效应，即普通的蛋白石。
当二氧化硅的大小小于可见光波长时，大部分的可见光被挡在欧泊外，仅发生瑞利散射，形成一种淡淡的蓝色乳光。
当二氧化硅的大小与可见光的波长相近或略大于时，会产生各种颜色的色斑。
（色斑的存在应理解为堆积小球直径的不均匀分布）（１）具有变彩效应宝石：欧泊，拉长石（由于聚片双晶的片状构造引起）合成蛋白石，塑料，玻璃，玛瑙，珠母，贝壳大理石等（２）分类单变彩：如月光石多色变彩：欧泊，拉长石（３）评价对变彩效应的宝石，应顾及其种类、石质、变彩的式样以及变彩的颜色。
最珍贵的变彩是红色，其次为紫色，橙色，黄绿色，蓝色。
颜色越鲜艳、浓、明亮，越受人喜爱。
２）月光效应：半透明乳白色弧面型的宝石表面，随着宝石的转动，在一定的角度范围，可见到白色至蓝色的似朦胧的乳光，胜似夏夜的月光，这种现象称为月光效应。
原因：是由于折射率稍有差异的正长石和钠长石呈薄的互层生长，这种互层结构对光的散射作用以及解理面对光的反射和干涉作用的综合效果使宝石表面产生漂浮状的光彩。
颜色取决于薄层的厚度：层厚：为白色层薄：为蓝色或淡蓝色。
３）砂金效应：在透明或半透明的宝石内部含有大量的定向排列的赤铁矿、针铁矿或其他金属矿物薄片，随着宝石的转动能反射出红色或金色的反光，这种性质称为沙金效应。
常见宝石：日光石和人造砂金石。
４）猫眼效应：在光线的照射下，以弧面形切磨的某些宝石，表面呈现一条明亮的光带，当转动宝石时，光带随之移动或出现光带张合现象，犹如猫眼瞳孔收缩成的一条狭缝，这种效应称为猫眼效应。
（１）产生的条件：一组密集的定向排列的包裹体或相似结构，包括：气液包体，纤维状、针状晶体，晶体生长过程中留下的管状负晶，或一些片晶，定向的解理等，他们对光的反射、折射形成。
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第五章 宝石的光学性质
第一节 光的本质
1.光的电磁波理论 以麦克斯韦为代表的电磁波理论认为光是一种电 磁波，以波动的形式，将光源辐射能从近至远地 向前传播；在波动中质点的振动方向和波的传播 方向相互垂直，为一种横波(如图所示)。
宝石学中常用波长单位为纳米，即10-9。有些情 况下用波数来表示波长范围，波数即单位长度内 波的数目，其单位为cm—l。波数值与波长成反比。
光的波动理论很好地解释了光的干涉、衍射及宝 石中相应的一些光学现象。
光的量子理论
普朗克在1900年提出了光的量子理论，认为 各种频率的光只能不连续地被发射和吸收，即光具 有粒子性，能量是不连续的，是量子化的。
爱因斯坦进一步提出，光的辐射场也是量子化 的，光在空间传播也具有粒子性，即一束光是一束 以光速运动的粒子流，这些粒子称为光量子，或光 子，不同频率的光子具有不同的能量。
2.光的衍射
光波在遇到障碍物时，偏离直线方向传播的现象 称为光的绕射，也称为光的衍射。
衍射的条件：只有当障碍物的大小与光波波长 十分相近，衍射才能发生。
单色光发生衍射时，衍射结果产生明暗相间的 条纹；当复色光发生衍射时，产生的将是五颜 六色的彩色条纹，衍射效应产生的是纯正的光 谱色。
当一束光线照到物体凹凸不平的表面时，光沿着 不同的方向发生反射，称为光的漫反射。
第四节 光的干涉与衍射
1. 光的干涉 波长相同、相差恒定、传播方向相近的两束或两
束以上的光在同一介质中相遇时，在交叠区相互 作用产生相长增强或相消删除的现象称为光的干 涉作用。 并不是任意两束光相遇都可发生干涉作用。能发 生干涉的两束光必须符合以下条件：即两束光的 频率相同，振动方向相同，位相相同或位相差恒 定。
2.偏振光
在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固 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—4所示，偏振光的振动方向 与传播方向构成的平面称振动面。
3.自然光和偏振光在宝石中的传播特点
第三节 光的折射与反射
光的全反射及全反射临界角
根据折射定律，当光波由光疏介质(介质1)射入光密介质(介质2) 时，折射光的光速变小，相对折射率>1，入射角大于折射角(i >γ)， 折射光靠近法线方向传播；反之，当光波由光密介质进入光疏介质时， 折射光的光速将变大，相对折射率小于l，入射角小于折射角(i <γ) ， 折射光线远离法线方向传播，随着入射角的不断加大，折射光偏离法线 的程度也将不断加大(如图 ）
钻石、合成金红石的火彩特征
色散在宝石中的意义: 其一，可以作宝石肉眼鉴定的特征之一 其二，高色散值使刻面宝石更加美观。
白光照射宝石分解出的光谱色，俗称“火彩”。 影响宝石火彩的因素除色散值外，还有体色、 净度和刻面角等。
第六节 光率体与宝石的光性方位
光率体 ：光率体是光在晶体中传播时，光波的振 动方向与折射率值关系的立体图形。
在瑞利散射中，散射强度与光的波长成反比。 所散射的高能光波为蓝紫色光，橙红色光大多不被 散射，因此所见侧光多呈浅蓝色。
若散射中心与光的波长相近或更大时（d≥λ）时， 所发生的散射称为米氏散射。散射作用与波长的 关系不大，散射光以白色为主。 d=λ~2λ时，有
可能显示出各种颜色，主要Hale Waihona Puke 红色和绿色。第五节 光的色散
光(复色光)在同一介质中的传播速度随波长而异 的现象称为色散。复色光通过具有棱镜性质的材 料时，棱镜将复色光分解成不同波长光谱的现象。
白光穿过棱镜和明亮琢型宝石时的色散
宝石的色散值是可以测定的，通常使用可见光谱 中两个最明显的波长，即分别测定宝石对红光 686．7nm及紫光430．8nm两束单色分光的 折射率值，这两束光的折射率值之差，便是该宝 石的色散值。这两种波长的光分别称为太阳光光
谱中的B线和G线。
根据色散值的大小，可将色散划分成不同的等级：
极低(0.01以下) 萤石0.007 低(0.01～0.019) 水晶0.013
蓝宝石0.018 中高(0.02～0.029) 锰铝榴石0.027
人造钇铝榴石0.028 高(0.03～0.059) 锆石0.039
钻石0.044 人造钆镓榴石0.045 榍石0.051 翠榴石0.057 极高(0.06以上) 合成立方氧化锆0.060 合成碳硅石0.104 人造钛酸锶0.190 合成金红石0.330
光的衍射在宝石学中主要的应用
有两个方面：
其一，利用光的衍射原理而设计的衍射光栅，是 宝石用分光镜的主要构件之一。
其二，利用光的衍射原理，可解释宝石中的一些 特殊光学效应，如变彩效应。
3.光的散射 散射是指由传播介质的不均匀性引起的光线 向四面八方射去的现象。
若散射中心非常小，即引起散射的粒子小于光的波 长（d<λ）时，这种散射称为瑞利散射。
光的粒子性很好地解释了光的直线传播、光的 折射和反射，能解释宝石的颜色成因，以及荧光、 磷光等现象。
现代科学证实，光具有波粒二像性，只有将 光的波动理论与光的量子理论结合起来，才能对 光的本质进行完整的解释。
第二节 自然光与偏振光
1.自然光 一切从光源直接发出的光波，统称为自然光，如 太阳光、灯光等。
由折射转变成全内反射
当光线的入射角加大到一定程度(如图中的 OD光线)，相应的折射线DD′，已不再进入光疏 介质，而是沿DD‘方向在S分界面内传播。
如果光线的入射角继续增大(如图中的OE光 线)，入射光不再发生折射，而是全部反射回入 射介质中，且遵循反射定律，反射角＝入射角， 这一现象称为光的全反射，与γ＝90°相应的入 射角称为全反射临界角。
在光的全反射过程中，相应的光疏介质的折 射率为n，光密介质的折射率为N，N> n，全反 射临界角为，它们之间可有如下关系。即
sin/ sin90°= n/ N
n＝N·sin
光的漫反射
当一束平行光线照到理想抛光平面或镜面时，入 射光的绝大部分，依反射定律沿同一方向被反射， 且入射角与反射角相等，这种反射称为镜面反射。