1、晶体光学,张群喜 E-Mail: ,一、光的波动性 二、自然光和偏光* 三、几何光学 的“三大定律” 四、光性均质体和光性非均质体* 五、光率体* 六、光性方位,第一章 晶体光学基础,1、光是一种电磁波。光既有粒子性，又有波动性。 2、电磁振动方向与其传播方向互相垂直，即电磁波是一 种横波，因而光波也是一种横波 (如下图)。,一、光的波动性,3、电磁波谱根据其波长大小可依次划分为：无线电波、红外线、可见光光线、紫外线、X射线、射线等。 4、从电磁波谱中可看出，可见光谱在电磁波谱中仅是一个小区段，其波长范围大致为770390 nm，波长由长变短相应的颜色为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫。 5、通常我
2、们所见的白光，实际上是由各种色光按一定比例混合成的混合光。,一、光的波动性,表1-1 可见光谱在真空中的波长 (nm),波长单位通常用(nm)纳米 或( )埃，它与其它常有 长度单位的换算关系为：1nm(纳米)10-3m(微米)10-6 mm (毫米) 10-7 cm (厘米)10 (埃),一、光的波动性,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(一) 可见光即通常所说的光或光波，是电磁波谱中的一个成员，能感觉到的一段电磁波，f：3.910147.71014Hz，：770390nm。可见光：单色光、白光、自然光、偏光。,(二) 单色光和白光频率( f )：光波的重要特征。某一频率( f )的光
3、波在不同的介质中传播时，其频率时固定不变的，但在不同介质中的传播速度(v)不同，因此其相应的波长()是随传播的介质不同而改变的。V=f 决定光的颜色是光波的频率，而不是波长。,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(二) 单色光和白光例题 1 如一红光，从空气中进入水中，其f = 41014Hz，空气中的波长=750 nm；进入水中，其f 不变，但速度变小，根据V=f ，波长变短为560nm，但该光在水中仍为红色。,图2-1 折射现象,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(二) 单色光和白光由七种基本单色光混合的光，如常见的日光、白炽光。白光的平均波长为580nm。,图2-2 白光经过一
4、个棱柱体的色散,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(三) 自然光和偏光自然光：是指直接由光源发出的光，如太阳光、灯光等，自然光的光波振动方向在垂直于光波传播方向的平面内，作任何方向等振幅的振动 (图2-3)。,x,y,(图2-3) 自然光的振动特点示意图,自然光的一种表示方法,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(三) 自然光和偏光偏光：自然光经过反射、折射、双折射或选择性吸收等作用后，可以转变为只在一个方向上振动的光波，称为偏振光或偏光(图2-4) 。,(图2-4) 偏振光的振动特点示意图,自然光,偏光片,偏光,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,(三) 自然光和偏光偏光的振动
5、方向与传播方向所构成的平面为振动面。,振动面,二、可见光、单色光、白光 自然光和偏光,三、几何光学 的三大定律,(一) 研究光在透明晶体中的传播问题的光学称为几何光学。几何光学的三大定律：1、光的直线传播定律；2、光的反射定律；3、光的折射定律。(说明：它们是各种光学仪器设计的理论基础，也是研究晶体光学的理论基础的一 部分。),1、光的直线传播定律,光在同一介质中是沿直线传播的，称为光的直线传播定律（图3-1）。例如：阳光照进屋里，夜间手电筒的亮光的传播。,n,(图3-1) 光的直线传播现象,2、光的反射定律,反射的概念：光从一种介质(n1)射入另一种介质(n2)时，在光滑界面上，如果部分光仍
6、回到原来的介质(n1)中，这种现象称为光的反射。其光路是可逆的(图3-2)。,n1,n2,(图3-2) 光的反射现象,界面,光的反射遵循反射定律： 反射光线位于入射光线和界面的法线所决定的平面内； 反射线和入射线分别在法线的两侧； 反射角等于入射角 i。,(图3-2) 光的反射现象,界面,2、光的反射定律,3、光的折射及折射定律,折射的概念：光线从一种介质进入到另一种介质，在界 面处传播的方向就会发生改变，即入射光线和折射光线不在同 一条直线上，这种现象称为光的折射。例如：筷子放在盛满水的器皿中，可见筷子不是直的， 而是折断的。,水,3、光的折射及折射定律, 光学上将两种介质分界面的垂线称为法
7、线； 入射光与法线的夹角称入射角，以 i 表示； 折射光与法线的夹角称折射角，以表示。当发生折射时， i 。,水,3、光的折射及折射定律,折射定律：光的折射遵循折射定律。 折射线在入射线与法线所决定的平面内； 而且与入射线分别位于法线的两侧； 而介质一定时入射角i的正弦 与折射角的正弦之比为一个常数N， N称为折射介质2对入射介质1的相对折射率，即 Nsin i / sin =N2/N1,水,根据自然界物质的光学性质不同，将其分为光性均质体与光性非均质体两大类。等轴晶系矿物 中级晶轴光性均质体 光性非均质体 非晶质体 低级晶轴,四、均质体和非均质体,(一) 光性均质体,光性均质体，又称为均质体
8、。具各向同性的介质、其光学 性质不随方向发生变化，光波在均质体中传播有以下两个特 征： 1. 只有一个折射率光波射入均质体时，其传播速度各个方向都相等，所以只有一 个折射率。 2. 不改变入射光的振动方向自然光入射均质体后仍然是自然光，偏光入射均质体后仍为偏 光。,3. 代表晶系及矿物均质体的矿物包括高级晶簇的等轴晶系和非晶质体。如等轴晶 系：钻石、尖晶石、萤石、石榴石等；非晶质体：蛋白石、玻璃、 树胶。,(a) 常林钻石,(b) 黑欧泊,(一) 光性均质体,一切具有双折射特征的介质称为光性非均质体，又称非均质体。非均质体是各向异性的介质，其光学性质随方向 不同而变化，光波在非均质体中传播具有
9、以下几个特征： 1. 不只一个主折射率光波在非均质体中传播时，其传播速度随振动方向而发生变化，因而其相应折射率也随振动方向不同而改变。 (即：非均质体的主折射率不只一个，而是二个、或三个),(二) 光性非均质体,2. 偏光化和双折射现象当光波射入非均质体后，除特殊方向以外一般都将分解成振动方向互相垂直的两种偏光，这就是偏光化。两种不同方向偏光的速度不等，导致折射率不等，引起了双折射现象。两种偏光折射率的差值称为双折射率，简称折射率。,(二) 光性非均质体,3. 一个或两个特殊方向光轴光波沿非均质体的特殊方向射入时不发生双折射，也不改变入射光的振动方向，这种特殊方向称为光轴(“OA”)。中级晶簇
10、晶体只有一个光轴，称为一轴晶； 低级晶簇晶体有两个光轴，称为二轴晶。,(二) 光性非均质体,光线射入一轴晶矿物，发生双折 射分解成振动方向互相垂直的两种偏 光。其中一种偏光的振动方向垂直C 轴，其传播速度及相应折射率不变， 称为常光，以符号“o”表示；另一种 偏光的振动方向平行C轴与光波传播 方向所构成的平面，其传播速度及折 射率振动方向而改变，称为非常光， 以符号“e”。,(二) 光性非均质体,4.代表性晶系及矿物非均质体矿物包括中级晶族与低级晶族的矿物。如中 级晶族的矿物有三方晶系的冰洲石、水晶、刚玉等；四方 晶系的有锆石、方柱石等；六方晶系的磷灰石、绿柱石等,(a) 水晶,(b) 锆石,
11、(c) 绿柱石,(二) 光性非均质体,4.代表性晶系及矿物又如低级晶族的有斜方晶系的橄榄石、堇青石等；单斜 晶系的普通辉石、透闪石、蛇纹石等；三斜晶系的斜长石、蔷 薇辉石等。,(a) 橄榄石,(b) 蔷薇辉石,(二) 光性非均质体,五 光率体*,光率体是表示光波在晶体中传播时，光波的振动方向与相应折射率值之间关系的一种光性指示体。其构成的方法：用一束平行光分别从各个方向射入晶体。设想自晶体中心起，沿各个光波在晶体中的振动方向按比例截取相应的折射率值，每一个振动方向都可以做一个线段，把各线段的端点连接起来构成一个立体图形，即光率体。,各类晶体的光学性质不同，所构成的光率体类型也不相同，现分述如下
12、：,(一) 均质体光率体包括等轴晶系矿物及非晶质矿物光波在均质体中传播时，向任何方向振动，其传播速度不变，折射率值相等，不发生双折射，因此，均质体光率体是一个圆球体。,图5-1 均质体的光率体,五 光率体*,(二) 非均质光率体包括一轴晶光率体和二轴晶光率体 (1) 一轴晶光率体一轴晶矿物是指中级晶族，因为这类矿物只有一个光轴，即光波只有一个沿C轴入射的特殊方向不发生双折射，故称为一轴晶。现以石英、方解石两种矿物的光率体为例，介绍一轴晶光率体特征：,五 光率体*,1. 形状旋转椭球体，是以Ne轴(C轴)为旋转轴和No轴(C轴)为半径组成的旋转椭球体。,图5-2 一轴晶光率体,2. 结构要素两个
13、主轴：两个互相垂直的轴，代表 一轴晶两个主要光学方向，又称光学主轴， 即Ne轴和No轴；它的长短代表主折射率大 小。,五 光率体*,石英和方解石的光率体都具有两个主折射率值，一个是垂直C轴振动的光波，其折射率为不变化的常数，这个常数叫“常光”(o光)，它的折射率用No表示；另一个是平行C轴振动的光波，叫做“非常光”(e光)，其折射率用Ne表示。在不同的一轴晶光率体中，Ne和No值大小是不一样的，称为主折射率值，也可称光学主轴。介于Ne和No之间的一序列折射率值，均用Ne表示，其光波的性质也属于非常光(Ne),五 光率体*,3. 一轴晶光率体的光性符号一轴晶光率体是一个以Z轴为旋转轴的旋转椭球体
14、。石英的两个主折射率值的相对大小为NeNo；而方解石则为NeNo 为 一轴正晶或正光性、 正光符，如石英NeNo 为一轴负晶或负光性、负光符，如方解石,图5-3 石英， 正光性；方解石，负光性,五 光率体*,图5-3 石英， 正光性；方解石，负光性,对于中间折射率Ne的相对大小，则因光性符号而不同： 正晶：NeNeNo 负晶：NeNeNo光性符号是透明矿物非均质体的重要光性特征，也是矿物的重要鉴定常数。,五 光率体*,4. 三种主要切面类型1) 光轴的切面光率体切面为圆2) 光轴的切面光率体切面为椭圆3) 斜交光轴切面光率体切面为椭圆,图5-4 一轴正晶光率体的主要切面,五 光率体*,(2)
15、二轴晶光率体 是指低级晶族矿物。均具有二个光轴，故称二轴晶。 二轴晶光率体的特征： 1.形状 三轴不等椭球体 (如右图) 2.结构要素 1) 三个主轴：三个互相的光率体轴代 表二轴晶矿物的三个主要光学方向，称为 光学主轴，简称主轴(Ng、Nm、Np)。,图5-5 二轴晶光率体,五 光率体*,2) 三个主轴面：包含任意两个主轴的切面称主轴面(切面)，二 轴晶光率体有三个互相垂直的主轴面。 NgNp； NmNp； NgNm 3) 二个光轴(OA)及两个圆切面：通过Nm轴在光率体的一侧(Ng与Np之 间)可以连续作一系列椭圆切面，这些切 面半径之一始终是Nm轴。,图5-5 二轴晶光率体,五 光率体*
16、,4) 光学法线：通过光率体中心而垂直光轴面的方向称光学法线，光学法线与主轴Nm轴一致。光轴面法线方向永远是Nm。 5) 光轴角：两个光轴之间所夹的锐角称光轴角， 以符号“2V”表示，2V的平分线称锐角等 分线，以Bxa表示；两个光轴之间的钝角 等分线称钝角等分线，以Bxo表示。,图5-6 二轴晶圆切面、光轴和光轴面,五 光率体*,3. 二轴晶光率体的光行符号 1) 根据锐角等分线Bxa是Ng还是Np决定二轴晶光性符号正负： 当Bxa Ng时，为正光性()； 当Bxa Np时，为负光性()； 2) 根据Ng、Nm、Np的相对大小，判断二 轴晶光性符号正、负 当NgNmNmNp时，为正光性()；
17、 当NgNmNmNp时，为负光性()；,图5-7 二轴晶光率体,五 光率体*,3) 根据光轴角的大小，可按下列简化公式求得： 当 时，为正光性()； 当 时，为负光性()；如2V90(富镁橄榄石)，则没有锐角等分线和钝角等分线之分，也没有光性符号之分。,五 光率体*,4. 五种切面类型 1) 垂直光轴(OA)的切面为圆切面，只有一个半径Nm，垂直圆切面入射的光不发生双折射，圆切面内任何振动方向上的折射率均等于Nm，双折射率为零。,图5-8 OA的切面,五 光率体*,2) 平行光轴面（AP，Nm主轴）的切面为椭圆，即NgNp主轴面，其长半径为Ng，短半径为Np，光沿主轴Nm入射，产生双折射(Ng
18、Np)。,图5-9 AP的切面,五 光率体*,3) 垂直Bxa的切面为椭圆切面，有两种情况： 正光性晶体，相当于主轴面NmNp，其长短半径分别为Nm和Np； 负光性晶体，相当于主轴面NgNm，其长短半径分别为Ng和Nm。光波垂直这种切面入射时(即沿Bxa方向入射)，发生双折射，分解形成两种偏光。,图5-10 Bxa()和Bxa()的切面,五 光率体*,4) 垂直Bxo的切面为椭圆切面，有两种情况： 正光性晶体，相当于主轴面NgNm ，其长短半径分别为Ng和Nm ； 负光性晶体，相当于主轴面NmNp ，其长短半径分别为Nm和Np 。光波垂直这种切面入射时(即沿Bxo方向入射)，发生双折射，分解形
19、成两种偏光。,图5-11 Bxo()和Bxo()的切面,五 光率体*,5) 斜交切面不垂直光轴，也不垂直主轴的切面，而这种切面有无数个，它们都是椭圆切面，非主轴面。 斜交切面大体上可分为两种类型： 垂直主轴面的斜交切面，即垂直NgNp面、NgNm 面及NmNp面的斜交切面，称半任意切面。,五 光率体*,这类切面的椭圆半径中，总有一个半径是主轴(Ng、Nm、Np)，另一个半径是Ng或Np。在半任意切面中，比较重要的是垂直NgNp面(AP)。这种切面的椭圆长短半径中必有一个半径是Nm，另一个半径是Ng或Np。,图5-12 AP的斜交切面(+),五 光率体*, 任意斜交切面这类斜交切面的长短半径分别
20、为Ng和Np。光波垂直这类切面入射时(即除光轴和主轴方向以外的任意方向入射，)发生双折射，分解形成两种偏光。,图5-13 任意切面(+),五 光率体*,六 光性方位,光率体主轴与晶体结晶轴之间的关系称为光性方位。也就是光率体主轴N；Ne、No或Ng、Nm、Np与结晶轴X、Y、Z之间的关系。也可以说是光率体在晶体中的位置。矿物的光性方位受其对称要素支配，即所属晶族，晶系不同而异。,(一) 高级晶族晶体的光性方位等轴晶系，为均质体矿物，是一个圆球体，只有一个折射率N，通过圆球体中心的任何三个互相垂直的直径都可与等轴晶系的三个结晶轴相当。,图6-1 均质体的光性方位,六 光性方位,(二) 中级晶族晶
21、体的光性方位包括三方、四方及六方晶系，为一轴晶光率体，光率体为旋转椭球体，其旋转轴(OA、Ne)与晶体高次对称轴Z轴(C轴、L3、L4、L6)一致。,图6-2 中级晶族晶体的光性方位,六 光性方位,(三) 低级晶族晶体的光性方位包括斜方、单斜、三斜晶系，属二轴晶光率体，光率体为三轴不等椭球体。 (1) 斜方晶系晶体的光性方位：光率体的三个主轴与晶体的三个结晶轴一致。哪一个主轴与哪一个晶体结晶轴一致，因矿物不同而异。,图6-3 斜方晶系晶体的光性方位,六 光性方位,(2) 单斜晶系晶体的光性方位:Y晶轴与光率体三个主轴之一重 合，其余斜交。哪一个主轴与Y轴一致，因矿物种类不同而异。如透闪石是NmY，NgC=15。,图6-4 单斜晶系晶体的光性方位,六 光性方位,(3) 三斜晶系晶体的光性方位:光率体三个主轴与晶体的三个结晶轴斜交，其斜交角度因矿物而异。,图6-4 三斜晶系晶体的光性方位,六 光性方位,
