第三章晶体光学基础1

常见的均质体有二类： 常见的均质体有二类：非晶 如玻璃、树胶等） 体（如玻璃、树胶等）和等 轴晶系的晶体（如萤石、 轴晶系的晶体（如萤石、方 镁石、石盐等）。 镁石、石盐等）。
2、光在非均质体中的传播 光波在非均质体中传播时， 光波在非均质体中传播时，除特殊方向外 其传播速度随光波振动方向不同而发生改 其光学性质随方向而异。 变，其光学性质随方向而异。即非均质体 的折射率值不只一个。 的折射率值不只一个。 中级晶族和低级晶族矿物晶体均 中级晶族和低级晶族矿物晶体均 属于非均质体。 属于非均质体。 光波通过非均质体的重要特征是： 光波通过非均质体的重要特征是： 光波射入非均质体，除特殊方向外，都要分解成振动方向 光波射入非均质体，除特殊方向外， 相互垂直且传播速度不等的两种偏光——即发生双折射现 相互垂直且传播速度不等的两种偏光 即发生双折射现 如图）。 象（如图）。 两条偏光的折射率值之差称为双折射率。 两条偏光的折射率值之差称为双折射率。
N
N
3.2、 3.2、一轴晶光率体
中级晶族晶体a=b≠c，水平方向上的光学性质相同。据测定， 中级晶族晶体a=b≠c，水平方向上的光学性质相同。据测定， a=b≠c 光波在此类晶体中传播时： 光波在此类晶体中传播时： ⑴当光波振动方向⊥Z轴时，相应的折射率值相等，为常光的折射 当光波振动方向⊥ 轴时，相应的折射率值相等， 率值， 表示。 率值，以“No”表示。 ⑵当振动方向∥Z轴时，折射率值与No相差最大，为非常光折射率 当振动方向∥ 轴时，折射率值与N 相差最大， 表示。 值，以“Ne”表示。 ⑶当振动方向与Z轴斜交时，相应的折射 当振动方向与Z轴斜交时， 率值递变于No Ne之间 之间， 率值递变于No 与Ne之间，也为非常光的 折射率， Ne′”表示 表示。 折射率，以“Ne′”表示。 Ne′与 轴夹角越小，Ne′越接近于Ne， 越接近于Ne Ne′与Z轴夹角越小，Ne′越接近于Ne， 反之越接近No No。 反之越接近No。 因此，一轴晶光率体是一个以Z 因此，一轴晶光率体是一个以Z轴为旋转 轴的旋转椭球体。 轴的旋转椭球体。
注意：光波在非均质体中传播时， 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。 大小的是光波在晶体中的振动方向而不是传播方向。
第二节 光率体
1、光率体概念 表示光波在晶体中传播时， 表示光波在晶体中传播时，其振动方向与相应折射 率之间关系的光性指示体（立体几何图形）。 率之间关系的光性指示体（立体几何图形）。 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， 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， 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， 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。 晶体的光率体。
3、光率体的分类 根据晶体的对称特征，分为三类：均质体光率体、 根据晶体的对称特征，分为三类：均质体光率体、 一轴晶光率体、二轴晶光率体。 一轴晶光率体、二轴晶光率体。
光的色散
单色光：是只有一种频率或波长的光。 单色光：是只有一种频率或波长的光。 复色光：是包括多种频率的光。 复色光：是包括多种频率的光。 光的色散： 光的色散：是复色光分解为单色光而形成光谱的 现象。 现象。
760
630
600
570
500
450
430
400(nm)
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
三、光波在均质体和非均质 体中的传播特点
偏光和自然光不同 偏振光—振动方向固定不变 偏振光 振动方向固定不变 特点：在垂直于光波传播方向的平面内， 特点：在垂直于光波传播方向的平面内，只有一个固定方向 上有等幅的光振动，振动面只有一个。又称为平面偏光。 上有等幅的光振动，振动面只有一个。又称为平面偏光。 振动面：偏光的振动方向与传播方向所构成的平面称振动面。 振动面：偏光的振动方向与传播方向所构成的平面称振动面。 在晶体光学中，主要利用平面偏振光，很少利用自然光。 在晶体光学中，主要利用平面偏振光，很少利用自然光。 偏光显微镜： 偏光显微镜：利用双折射和选择性吸收作用产生偏光的原理 自然光通过偏光镜后成为振动方向固定的偏光。 自然光通过偏光镜后成为振动方向固定的偏光。
对于一轴晶， 对于一轴晶，除光轴方向 外，入射光均有二个折射 率，一偏光振动方向永远 与光轴垂直——常光，以 常光， 与光轴垂直 常光 表示； “o”表示；其折射率值保 表示 持不变， 表示。 持不变，以“No”表示。 表示
另一偏光振动方向平行于 光轴和光波传播方向构成 的平面——非常光，以 非常光， 的平面 非常光 表示； “e”表示；其折射率值随 表示 光波振动方向不同而变化， 光波振动方向不同而变化， 表示。 以“Ne”表示。 表示
第三章 晶体光学基础
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。 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， 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。 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， 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， 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。 也应用晶体光学原理和方法进行研究和鉴定。
O光 e光
1020
晶体的截面 光轴
780
一轴晶——晶体中 晶体中 一轴晶 只有一个方向不产 生双折射， 生双折射，即只有 一根光轴（ 一根光轴（中级晶 族晶体）。 族晶体）。
二轴晶——晶体 晶体 二轴晶 中有二个方向不 产生双折射，即 产生双折射， 有二根光轴（ 有二根光轴（低 级晶族晶体）。 级晶族晶体）。
将以上一系列椭圆切面和圆切面按其空间位置联系起来， 将以上一系列椭圆切面和圆切面按其空间位置联系起来， 便构成以石英Z轴为旋转轴的一个长形旋转椭球体，即为 便构成以石英 轴为旋转轴的一个长形旋转椭球体， 轴为旋转轴的一个长形旋转椭球体 石英的光率体，旋转轴为光轴。 石英的光率体，旋转轴为光轴。 正光性(Ne > No)
光在真空中速度是： 光在真空中速度是： c = (2.997924562×108 ±1.1 米/ 秒 ) .
一、自然光与偏振光
光依据光波的振动特点分： 光依据光波的振动特点分：自然光与偏振光
自然光—一切普通光源 自然光 一切普通光源 所发出的光。（太阳、 。（太阳 所发出的光。（太阳、 灯） 特点：在垂直于光波传 特点： 播方向的平面内， 播方向的平面内，各方 向上都有等幅的光振动， 向上都有等幅的光振动， 其振动面是瞬息万变的， 其振动面是瞬息万变的， 有无数个。 有无数个。 由于自然光是各种光波的混合 波，故在垂直光波传播方向的 平面内， 平面内，各方向上都有等振幅 的光波振动。 的光波振动。
石英这一类光率体的特 石英这一类光率体的特 征是：旋转轴为长轴， 征是：旋转轴为长轴， Ne＞No，即Ne＝Ng（大 折射率）， ），N 折射率）， o＝Np（小 折射率）。 ）。凡是具有这 折射率）。凡是具有这 种特点的光率体都称为 一轴晶正光性光率体， 一轴晶正光性光率体， 相应的矿物称一轴晶正 相应的矿物称一轴晶正 光性矿物。 光性矿物。
i
i′
γ
C
D
白光
n
白 光
色
i
散
r
n′
光
介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。 介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。
同一介质的折射率视所用光波的波长而异，这种性质称为折射率色散。 同一介质的折射率视所用光波的波长而异，这种性质称为折射率色散。 折射率色散 对于同一介质，入射光波波长与折射率成反比关系。 对于同一介质，入射光波波长与折射率成反比关系。 为了不受色散影响，测定N应在单色光中进行，通常都是利用589 nm的黄色光 589. 的黄色光。 为了不受色散影响，测定N应在单色光中进行，通常都是利用589.5nm的黄色光。 实践证明，在晶体光学研究中， 实践证明，在晶体光学研究中，折射率值是鉴定透明矿物晶体最可靠的常数之 一。
当光波沿非均质体的某些特殊方向传播时（ 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 轴方向），不发生双折射， 晶族 轴方向），不发生双折射，基本不改变入射光 光轴。 的振动特点和方向。把这一特殊方向称为光轴 的振动特点和方向。把这一特殊方向称为光轴。
• • • • • • • • 单色自然光 • • • • • • • • • •
第一节 光在晶体中的传播
光是具有一定波长的电磁波；具有波动性和微粒性。 光是具有一定波长的电磁波；具有波动性和微粒性。 光电效应的发现 证明了光是一物质（ 的发现， 光电效应的发现，证明了光是一物质（即光是由具 有极小能量的粒“光子”组成的）， ），而波动是质的运 有极小能量的粒“光子”组成的），而波动是质的运 动形式。 动形式。 光的波动形式——以正弦曲线运动，其传播方向 以正弦曲线运动， 光的波动形式 以正弦曲线运动 与振动方向相互垂直。 与振动方向相互垂直。
y
L L
x
二、 光的折射与折射率
入射线， 1、光的折射（折射定律)——入射线，折射线和折射面 光的折射（折射定律) 入射线 的法线恒处于同一平面内， 的法线恒处于同一平面内，且入射角的正弦与折射角的 正弦之比等于光波在入射介质与折射介质中的波速之比。 正弦之比等于光波在入射介质与折射介质中的波速之比。 N2,1=Vi/Vr =sini/sinr 折射介质对入射介质的折射率。 N2,1—折射介质对入射介质的折射率。 折射介质对入射介质的折射率 A 若入射介质为真空， 若入射介质为真空，则N称为折射介 质的绝对折射率，简称折射率。 质的绝对折射率，简称折射率。 n N = sini/sinr = ≈V0/Vr B 常把空气的折射率视为1 1.00029）。 常把空气的折射率视为1（1.00029）。 n' 光在其它介质中传播速度总是小于真 空中的速度， 空中的速度，故其它介质的折射率总 折射光线 大于1 大于1。 反射光线