晶体光学基础理论

光透过多数矿物（哪些例外？），分解为2束（O、e） 折射率、波速、传播方向不同、偏振光 O光振动方向⊥主平面，e光振动方向∥主平面 双折率：abs(No－Ne)
主截面、主平面、入射面、主轴面
光的主平面：晶体中的光线与光轴所形成的平面 晶体主截面：由光轴和晶体表面的法线所组成的平面 入射面：晶面法线与入射线所决定的平面 主轴面（主切面）：包含2个主轴的切面
1.均质体光率体
Isotropic indicatrix
N N
不同方向振动的光波N相等，
为一圆球体 只有一个折射率值N
N
N
任何切面都是圆切面 圆切面的半径＝N
为什么关注光率体切面？
2.一轴晶光率体
Uniaxial indicatrix
（1）特征
形态：旋转椭球体，旋转轴
与结晶轴c轴一致
Ne No
∥c轴入射光波,在⊥c轴的 平面内振动，折射率为No，不 发生双折射。故c轴∥ OA。
⊥c轴入射光波，分解为∥
和⊥c轴振动的两种偏光，折射
率为Ne，No。
(2)光率体要素： 有No和Ne两个主折射率，
或光率体椭球半径，介于之 间者为Ne’
OA
Ne
|Ne–No|为最大双折射率
o
e
冰洲石
冰洲石下的绳子有两个像 双折射
玻璃下的绳子只有一个像 单折射 o e
冰洲石
当光线入射到矿物晶体之中时，一般都发生双 折射现象。即形成两束折射光。
一束为寻常光（ o 光），服从折射定律， 沿各方向传播的o光速度相同，即各方向的折 射率相同。 另一束为异常光（e 光），不服从折射定律， 沿各方向传播的光速度不同，即各方向的折射 率不同。
波长（nm）
波长nm
可见光在电磁波谱中的位置
附 近
自然光:在垂直光波传播方向的平面内，各个方向上 都有等振幅振动的光波
偏光:仅在垂直光波传播方向的某一个固定方向上振 动的光波
偏光化作用(Polarization)：使自然光转变为偏光的 作用。
反射、折射、双折射、选择性吸收可使自然光转变为 偏振光。
Φ
Ni
Sinr = Sini/ N
若Sini=N,则r =90
*光波由光密介质进入光疏介质，当入射角增大 到某一临界角Φ时，会产生全反射，据此原理， 在已知Ni时，测出Φ值就能测出Nr.
5、双折射和双折射率
Double refraction & Birefringence
双折射现象的发现：冰洲石下的双像
No Ne’
Ne‘ 5 No
垂直OA切面 平行OA切面 斜交OA切面
正光性
负光性
3.二轴晶光率体 Biaxial indicatrix
(1)光率体形态：
三轴（半径）不等的椭球体，三 个椭圆半径分别为Ng、Nm、Np。 Ng > Nm > Np
Ng>Nm>Np Z
OA
X Y
OA
(2)光率体要素：
电磁波是一种横波，因此光也是横波：振动方 向与传播方向相互垂直 光波具有一切电磁波属性：反射、折射、干涉、 偏振、色散、衍射特征。
波的相关术语
F = V/ 图中波自左向右以速度V传播 波长 (wavelength)：相邻两波峰之间的距离 频率F (frequency)：每秒钟内波峰通过某一点处的次数 振幅A (amplitude)：波的高度
主平面: 晶体内光线与光轴构成的平面
6、光性均质体与光性非均质体
光性均质体 Optical isotropic substance
光性非均质体 Optical anisotropic substance
光性均质体
指光学性质各个方向相同的物质，如玻璃质和 等轴晶系的矿物
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折 射率相同 自然光仍为自然光，偏振光仍 为偏振光
No Ne （+） （-）
Ne No
斜交OA切面：半径为Ne’、No的椭圆切面， 可测No的折射率和颜色，当斜交角较小时，可用 来确定光性符号
No Ne’
•椭圆的两半径方向决定两 偏光振动方向 •长短代表折射率
注意:一轴晶光率体所有切面上都有No。为什么？
连连看！
No 1 No 2 Ne Ne 4 No 3
不发生双折射
思考：是否会发生折射？
光性非均质体
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
传播速度、折射率随光波的振动方 向而变。
有一个或者两个光轴，一轴晶和二
轴晶(中、低级晶族) 除特殊方向外均要发生双折射，分
解成两束振动方向不同、传播速度不同、
折射率不等的偏光。
光性均质体/光性非均质体（是否发生双折射）
类玻璃质：玻璃、水、空气、树胶、蛋 晶 白石…… 单折射 (一个折射率)自然光 体 光 进自然光出，偏振光进偏振光出 等轴晶系：石榴石、萤石、尖晶石、金 刚石、白榴石…… 学 研 一轴晶: 六方晶系：磷灰石、霞石、绿柱石… (2个主折射率) 究 四方晶系：锆石、金红石、方柱石… 的 三方晶系：石英、方解石、刚玉、电 对 非均质体: 气石… 象
晶体光学及光性矿物学
Crystal Optics & Optical Mineralogy
（64学时）
任课教师：佘振兵 （地球科学学院） 联系方式： zbsher@ 67884734
教 材

晶体光学及光性矿物学，曾广策等编著，中国地质大学出版社，
2006，O734/Z1
参考书

每次课2学时
实验课安排（共23次课）
Practical Class



晶体光学部分 偏光显微镜的构造与使用，2课时 解理、多色性 ，2课时 突起等级、贝克线，4课时 消光、补色法则、干涉色级序，4课时 消光类型、消光角、延性，4课时 一轴晶干涉图、二轴晶干涉图，4课时 寻找定向切面、测一轴晶矿物多色性公式 ，4课时

2. 可见光、单色光、白光
可见光：正常的人眼能感觉到的电磁波。 单色光：频率为某一定值或在某一窄小范围的可见光。
白光：是指由七种基本单色光混合的光（如日光）。
紫外 390 紫 兰 绿 黄 430 500 570 590 650 770
橙
红 红外
人 眼 最 为 敏 感 的 光 是 黄 绿 光 ， 即 555 nm
实验课安排（共23次课）
光性矿物学部分



系统鉴定：普通角闪石，2课时 橄榄石及其蚀变矿物 ，2课时 辉石族矿物 ，4课时 云母族矿物 ，4课时 斜长石成分鉴定法，4课时 钾长石、石英 ，4课时 方解石、萤石 ，2课时
实验课分班：每班不超过30人
成绩评定方法

理论部分（晶体光学）：闭卷考试，占总分 50% 实践部分（光性矿物学）：平时实验课成绩， 占总分50%

1669年，丹麦科学家巴塞林那斯 (E.Bartholinus) 透过冰洲石看书，发现每个 字都变成了两个。

10年后，荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens) 给出了解释： 一束光进入冰洲石后分为两束（双折射） 其中一束遵从折射定律，称为常光（O 光）；另外一束不遵开。
101 .5
光轴 (optical axis, OA)：晶体
内特殊的方向，当光线沿该方
向入射时，不发生双折射。
78 .5
相关说明
（1）o 光与e 光均为偏振光，二者传播方向、传播速
度、折射率一般不同。 o 光、e 光折射率之差为双折率。
（2） 传播方向：o 光始终在入射面（晶面法线与入射线所决
光从非光轴方向入射， 产生双折射，分解成振 斜方晶系：橄榄石、紫苏辉石…… 动方向互相垂直的两束 二轴晶: 偏振光。 (3个主折射率) 单斜晶系：普通角闪石、透长石…… 三斜晶系：斜长石、硅灰石……
均质体:
思考题
1. 所有介质的折射率总是 > 1，
为什么？ 2. 垂直入射的光线如何折射？ 3. 为什么右图中玻璃杯中的铅笔 没有变成两根？
光通过下偏光镜时
west (left)
自然光
单偏光 “PPL” east (right)
只有东西方向振动的光才能通过
3、光的折射与折射率
Refraction & refractive index
生活中的光折射
i
疏
密
法 线 Ni
Water
i
密
疏
法 线 Ni
Nr
Air
Nr
r r
Ni<Nr
Ni>Nr
折射定律（Snell定律）： N = Sini / Sinr = Vi / Vr
晶体光学基础理论（1）小结

光的波动性：电磁波、横波 可见光（390-770nm）、单色光/白光、自然光/偏光


白光可以是自然光，也可以是偏光


自然光可以是白光，也可以是单色光
偏光可以是白光，也可以是单色光

光的折射：折射后发生了什么？V、F、 、传播方向？
光的全反射和全反射临界角

双折射：
1）由光疏进入光密物质，折向光法线；反之，偏离光法线。 2）N：折射介质对入射介质的相对折射率，若入射介质为真空，为绝 对折射率。 3）光在介质中的传播速度受微观结构（密度、质点类型、堆积的紧密 程度等）的控制，因此折射率是反映介质成分和微观结构的重要参数。
4、光的全反射和全反射临界角
Ni>Nr 据折射定律： N = Vi / Vr 密 疏 Nr Φ为全反射临界角 = Sini / Sinr = Nr / Ni