《晶体光学》PPT课件.ppt

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1、第十二章第十二章 晶体光学基础晶体光学基础1 基本概念基本概念基本概念基本概念1.1 光的本性光的本性 （一）（一）微粒说微粒说 （二）（二）波动说波动说 （三）（三）电磁波说电磁波说1.2 光波光波 光的波动形式是一种正弦曲线运动。光的波动形式是一种正弦曲线运动。1.3 光的干涉光的干涉 两个或两个以上光波沿同一方向在同一平面内振动时，两个或两个以上光波沿同一方向在同一平面内振动时，发生发生互相迭加互相迭加，这种迭加作用称为，这种迭加作用称为光的干涉光的干涉。1.4 光在均质体光在均质体和非均质体和非均质体中的传播中的传播1.4.1 概念概念均质体均质体:指光的传播指光的传播速度及其它速度及

2、其它光学性质在光学性质在各方向都相各方向都相同的物质。同的物质。非均质体非均质体:光学性质光学性质随方向而异随方向而异的物质称为的物质称为非均质体。非均质体。R1R2irVi/VrSini/SinrN 折射定律折射定律1.4.2 折射与折射率折射与折射率（1）当当V1V2时，时，i r，光线向靠近法线方向折射。，光线向靠近法线方向折射。（2）当当V1V2时，时，i r，光线向离开法线方向折射。，光线向离开法线方向折射。当折射角当折射角r90时，光就全部向光密介质反射，时，光就全部向光密介质反射，这种现这种现象称为象称为全反射全反射。折射角为。折射角为90的入射角称为的入射角称为临界入射角临界入

3、射角。（3）当当N1N2，ir，光线进入第二种介质后传播方向不变。，光线进入第二种介质后传播方向不变。1.4.3 绝对折射率和相对折射率绝对折射率和相对折射率 任何介质对于真空的折射率称为任何介质对于真空的折射率称为绝对折射率绝对折射率。而与其余。而与其余介质比较所得的折射率称为介质比较所得的折射率称为相对折射率相对折射率。绝对折射率绝对折射率 N2=N1N N2第二种介质的绝对折射率第二种介质的绝对折射率 N1第一种介质的绝对折射率第一种介质的绝对折射率 N 第二种介质对第一种介质的相对折射率第二种介质对第一种介质的相对折射率自然光：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在垂

4、直光波传播方向的平面内，各个方向上都有等振幅的光振动。幅的光振动。偏振光：偏振光：在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波。在垂直光波传播方向的某一固定方向上振动的光波。使自然光转变为偏光的作用称为使自然光转变为偏光的作用称为偏光化作用偏光化作用。1.5 自然光与偏振光自然光与偏振光1.5.1 概念概念1.5.2 光波在非均质体中的传播特点光波在非均质体中的传播特点非均质体非均质体:中级晶族和低级晶族的矿物，中级晶族和低级晶族的矿物，其光学性质随方向而异，称为光性非均质体。其光学性质随方向而异，称为光性非均质体。光波光波射入非均质体，除特殊方向之外，都要发生射入非均质体，除特殊方向之外，都

5、要发生双折射双折射，分解成两种偏光，偏光的折射率值之差称分解成两种偏光，偏光的折射率值之差称双折射率。双折射率。光波在非均质体中传播时，其传播速度及折射率值，随光波在非均质体中传播时，其传播速度及折射率值，随光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。光波沿非均光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。光波沿非均质体的质体的特殊方向特殊方向射入时，射入时，不不发生双折射。非均质体中，发生双折射。非均质体中，这种不发生双折射的特殊方向称为这种不发生双折射的特殊方向称为光轴。光轴。中级晶族晶体只有一个光轴方向，称为中级晶族晶体只有一个光轴方向，称为一轴晶一轴晶；低级晶族晶体共有两个光轴方向，称为低级晶族晶体

6、共有两个光轴方向，称为二轴晶二轴晶。光波光波射入一轴晶矿物，发生双折射分解形成两种偏光。射入一轴晶矿物，发生双折射分解形成两种偏光。一种偏光，一种偏光，称为常光称为常光，以，以“o”表示。另一种偏光表示。另一种偏光称为非称为非常光常光，以，以“e”来表示。来表示。注意：注意：观察光线入射观察光线入射冰州石后，光波振动冰州石后，光波振动方向的改变情况。方向的改变情况。原光波原光波晶体晶体入射入射分解分解速度不同，折射率速度不同，折射率不等，振动方向垂不等，振动方向垂直的直的两两条光线条光线旋转旋转90旋转旋转90旋转旋转90 光波在非均质体中传播时，光波在非均质体中传播时，决定决定光波传播速度及

7、折射率值光波传播速度及折射率值大小的是光波在晶体中的大小的是光波在晶体中的振动振动方向方向。1.6 光率体光率体 光率体光率体是表示晶体中光波是表示晶体中光波振动方向与相应折射率之间关振动方向与相应折射率之间关系的一种系的一种光性指示体光性指示体，是一种，是一种几何形体几何形体。均质体光率体是一个以相均质体光率体是一个以相应折射率值为半径的应折射率值为半径的球体球体。RN1.6.2 中级晶族中级晶族 光率体光率体 中级晶族在中级晶族在对称上都有两个对称上都有两个特征方向：特征方向：Z及及X、Y方向。方向。常光的折射常光的折射率值用率值用“No”，非常光的折射率非常光的折射率值用值用“Ne”表示

8、。表示。一轴晶的光一轴晶的光率体为一个率体为一个“旋旋转的椭球体转的椭球体”石英晶体石英晶体 Ne1.553、No1.544，光率体的形态光率体的形态是沿着是沿着C轴拉轴拉长了一些。长了一些。凡是凡是NeNo的光率体，的光率体，称为一轴晶正称为一轴晶正光率体，光率体，具备具备此种特点的矿此种特点的矿物就称为物就称为正光正光性矿物性矿物。方解石晶体，方解石晶体，Ne1.486、No1.658，NeNo，光率，光率体的形态好象是沿体的形态好象是沿C轴压扁了一些。轴压扁了一些。凡是凡是NeNo的光率体的光率体，就称为一轴晶负光性光率体，就称为一轴晶负光性光率体，而且有此种特点的矿物就称为负光性矿物。

9、而且有此种特点的矿物就称为负光性矿物。一轴晶光率体一轴晶光率体，直立轴为，直立轴为Ne，水平轴为，水平轴为No。晶体中最大折射率与最晶体中最大折射率与最小折射率之差就是晶体的小折射率之差就是晶体的最最大双折射率大双折射率。一轴晶一轴晶正光性，双折射率正光性，双折射率NeNo；负光性，双折射率；负光性，双折射率NoNe 一轴晶矿物主要有以下一轴晶矿物主要有以下三种类型的切面：三种类型的切面：（1）垂直光轴切面）垂直光轴切面 （2）平行光轴切面）平行光轴切面 （3）斜交光轴切面）斜交光轴切面1.6.3 低级晶族低级晶族 光率体光率体 低级晶族所低级晶族所有晶体的光率体有晶体的光率体在形态和结构上在

10、形态和结构上均有均有大、中、小大、中、小三个主折射率值，三个主折射率值，用用Ng、Nm、Np表示。表示。二轴晶光二轴晶光率体是一个三轴率体是一个三轴椭球体。椭球体。镁橄榄石光率体的构成镁橄榄石光率体的构成 光线沿两个特殊的光线沿两个特殊的方向入射时，不发生双方向入射时，不发生双折射，而呈均质性，折射，而呈均质性，此此方向就为光轴方向就为光轴OA的方向。的方向。低级晶族晶体共有两个低级晶族晶体共有两个光轴方向，故称为光轴方向，故称为二轴二轴晶晶。二轴晶光率体中互二轴晶光率体中互相垂直的三个轴代表三相垂直的三个轴代表三个主要光学振动方向，个主要光学振动方向，称为光学主轴，而主轴称为光学主轴，而主轴

11、的长短分别代表三个主的长短分别代表三个主折射率中的折射率中的Ng、Nm、Np大小。包含任意两个大小。包含任意两个主轴的面称为主轴面。主轴的面称为主轴面。三个主轴面互相垂直。三个主轴面互相垂直。包含两光轴的面称为光轴面，以包含两光轴的面称为光轴面，以AP表示表示。通过光率体中。通过光率体中心而垂直光轴的方向称为光学法线。两光轴间的夹角称光轴角。心而垂直光轴的方向称为光学法线。两光轴间的夹角称光轴角。光轴角有锐角与钝角之分。光轴角有锐角与钝角之分。锐角以符号锐角以符号2V表示表示。锐角的平分线称锐角等分线，以符号锐角的平分线称锐角等分线，以符号Bxa表示；钝角的平表示；钝角的平分线称钝角等分线，以

12、符号分线称钝角等分线，以符号Bxo表示。表示。二轴晶光性符号的正负二轴晶光性符号的正负。Bxa=Ng或或Bxo=Np，正光性。正光性。Bxa=Np或或Bxo=Ng，负光性。负光性。二轴晶光性的正负二轴晶光性的正负，还可以三个主折射率的相还可以三个主折射率的相对大小予以表征：对大小予以表征：NgNmNmNp 正光性正光性NgNmNmNp 负光性负光性利用二轴晶光率体可确定光的利用二轴晶光率体可确定光的传播方向，振动方向及相应折传播方向，振动方向及相应折射率三者之间关系射率三者之间关系1 光沿光轴方向入射光沿光轴方向入射，双折，双折射率为射率为0。2 光沿主轴光沿主轴Nm方向入射方向入射，最，最高

13、双折射率。高双折射率。3 光平行光平行Ng或或Np入射入射，双折，双折射率值介于射率值介于0与最大值之间。与最大值之间。4 光沿某一主轴面倾斜入射，光沿某一主轴面倾斜入射，双折射率为椭圆长短半径之差。双折射率为椭圆长短半径之差。5 入射光的方向和光率体的入射光的方向和光率体的三个主轴都不平行或垂直三个主轴都不平行或垂直。其。其光率体切面仍为椭圆。光率体切面仍为椭圆。二轴晶光率体的主要切面有二轴晶光率体的主要切面有OA的切面的切面AP切面切面Bxa切面切面（）（）Bxo的切面的切面（）（）AP的斜交切面的斜交切面（）（）任意的斜切面任意的斜切面（）（）2 光性方位光性方位光性方位光性方位:是指光

14、率体在晶体中的位置（光率体主轴与结晶是指光率体在晶体中的位置（光率体主轴与结晶轴的关系）。对于晶体的轴的关系）。对于晶体的鉴定鉴定具有一定的意义。具有一定的意义。2.1 高级晶族的光性方位高级晶族的光性方位 等轴晶系晶体的光率体为一球形，在晶体中可处等轴晶系晶体的光率体为一球形，在晶体中可处于任意位置，故光性方位无实际意义。于任意位置，故光性方位无实际意义。2.2 中级晶族中级晶族 光性方位光性方位 中级晶族中级晶族光率体为一旋光率体为一旋转椭圆体。转椭圆体。旋转轴旋转轴（光轴）的方（光轴）的方向恒与该晶族向恒与该晶族的唯一高次对的唯一高次对称轴（称轴（C轴）轴）的方向重合，的方向重合，光率体

15、中心与光率体中心与晶体中心一致晶体中心一致。2.3 低级晶族低级晶族 光性方位光性方位二轴晶光率体是一二轴晶光率体是一个三轴椭圆体。其个三轴椭圆体。其对称形为对称形为3L23PC。在斜方晶系中在斜方晶系中，光，光率体的三个光学方率体的三个光学方轴与晶体的三个晶轴与晶体的三个晶轴轴重合重合。单斜晶系单斜晶系最高对称最高对称型为型为L2PC，其二次，其二次对称轴（对称轴（Y轴）轴）必必与一光学主轴重合，与一光学主轴重合，其它二主轴与结晶其它二主轴与结晶轴斜交。轴斜交。三斜晶系三斜晶系 最高对最高对称轴型为称轴型为C，光率体三，光率体三个主轴与三个主轴与三个结晶轴都个结晶轴都是是斜交关系斜交关系，斜

16、交的角度斜交的角度因矿物不同因矿物不同而各不相同。而各不相同。3 光学显微镜光学显微镜 显微镜显微镜是由罗马是由罗马科学院院士法伯于科学院院士法伯于1325年创造的。加利年创造的。加利略是第一个使用显微略是第一个使用显微镜的人。镜的人。用显微镜首次来用显微镜首次来研究科学的是荷兰显研究科学的是荷兰显微镜学家微镜学家列文豪克列文豪克。利用偏光显微镜利用偏光显微镜能对物体能对物体放大观察放大观察，对晶体的一系列对晶体的一系列光学光学性质进行测定性质进行测定。显微镜总的放大显微镜总的放大倍数为目镜放大倍数倍数为目镜放大倍数与物镜放大倍数与物镜放大倍数乘积乘积。3.1 偏光显微镜偏光显微镜 研究研究透

17、明矿物透明矿物光光学性质的仪器是学性质的仪器是偏光偏光显微镜显微镜。3.1.1 偏光显微镜的调节偏光显微镜的调节一一 装卸镜头装卸镜头 二二 调节光源调节光源三三 调节焦距调节焦距四四中心校正中心校正五五五五 偏光显微镜的检查与偏光显微镜的检查与校正校正 1 测定下偏光镜振动面测定下偏光镜振动面 2 上下偏光镜振动方向上下偏光镜振动方向 是否正交是否正交六六 偏光显微镜的保养偏光显微镜的保养3.1.2 单偏光镜单偏光镜单偏光镜单偏光镜 偏光显微镜中有两个偏光镜。将上偏光镜拉出而保留下偏光显微镜中有两个偏光镜。将上偏光镜拉出而保留下偏光镜，就构成单偏光系统。偏光镜，就构成单偏光系统。用以获得平面

18、偏光的装置有两种：用以获得平面偏光的装置有两种：一种是冰洲石棱镜，另一种是人造偏振片。一种是冰洲石棱镜，另一种是人造偏振片。单偏光镜下的观察：单偏光镜下的观察：形状、大小、解理、折光率、吸收形状、大小、解理、折光率、吸收一一 晶形的观察晶形的观察 对结晶形态的观察可以为其成因提供依据。可以判断它们对结晶形态的观察可以为其成因提供依据。可以判断它们的形成条件，结晶的先后顺序。的形成条件，结晶的先后顺序。单晶物质在切片中的形状，常常因为切片方位不同而出现单晶物质在切片中的形状，常常因为切片方位不同而出现各种形状（综合）对于多晶物质或多相系统的集合体，根据它各种形状（综合）对于多晶物质或多相系统的集

19、合体，根据它们之间的相互关系，们之间的相互关系，达到鉴别认识的目的。达到鉴别认识的目的。二二 解理的观察及解理的测定解理的观察及解理的测定 解理在镜下见到的是一些解理在镜下见到的是一些平行的细缝平行的细缝。一般可以分成一般可以分成四级四级：极完全解理：极完全解理：解理缝呈细而连续的直线，解理缝之间宽度均匀。解理缝呈细而连续的直线，解理缝之间宽度均匀。完全解理：完全解理：解理缝虽清楚，但解理缝较粗，一条解理往往不解理缝虽清楚，但解理缝较粗，一条解理往往不 能贯穿到底而有中断现象。能贯穿到底而有中断现象。不完全解理：不完全解理：解理断断续续，仅能免强看出一个大致方向。解理断断续续，仅能免强看出一个

20、大致方向。极不完全解理：极不完全解理：无解理。无解理。解理缝密度除与解理性质有关外，还与切片方向有密切关系。解理缝密度除与解理性质有关外，还与切片方向有密切关系。当切片平面与解理面垂直时当切片平面与解理面垂直时，解理缝细而清楚，此时为解理，解理缝细而清楚，此时为解理缝的真实宽度。缝的真实宽度。当解理面与切片斜交，当解理面与切片斜交，解理缝看起来比较粗，且左解理缝看起来比较粗，且左右移动，可判断解理面与切面是否垂直。右移动，可判断解理面与切面是否垂直。可见临界角，可见临界角，大小与大小与晶体和树胶折射率晶体和树胶折射率差值有关。差值有关。两组解理之间的夹角称为两组解理之间的夹角称为解理角解理角。

21、只有垂直两组解理面。只有垂直两组解理面的解理角才是真正的解理角具鉴定价值。的解理角才是真正的解理角具鉴定价值。在镜下的表现是在镜下的表现是：两组解理缝细而清楚，升降镜筒时，解理不向左右移动。两组解理缝细而清楚，升降镜筒时，解理不向左右移动。测定解理角：测定解理角：（A-B）三三 颗粒大小的测定颗粒大小的测定 测定薄片中颗粒大小，用带有刻度的目镜来进行。测定薄片中颗粒大小，用带有刻度的目镜来进行。Anl四四 颜色、吸收性和多色性颜色、吸收性和多色性 光通过切片时，要被吸收掉一部分，晶体对白光中各色光通过切片时，要被吸收掉一部分，晶体对白光中各色光的吸收能力不同，光透过晶体后除去吸收掉的色光，其余

22、光的吸收能力不同，光透过晶体后除去吸收掉的色光，其余色光互相混合，晶体就呈现颜色。色光互相混合，晶体就呈现颜色。颜色的浓度颜色的浓度：与晶体的吸收能力、薄片的厚度有关。：与晶体的吸收能力、薄片的厚度有关。光性均质体：光性均质体：等厚切片中，颜色和浓度只有一种。等厚切片中，颜色和浓度只有一种。非均质体非均质体：对光的选择性吸收，随方向而异。对光的选择性吸收，随方向而异。单偏光下转动物台时，许多晶体的单偏光下转动物台时，许多晶体的颜色及浓度颜色及浓度要要发生变化。发生变化。通过晶体的光波振动方向不同，使晶体颜色发生通过晶体的光波振动方向不同，使晶体颜色发生改变的现象称为改变的现象称为多色性多色性，

23、颜色浓度的改变现称为，颜色浓度的改变现称为吸收性吸收性。非均质体的多色性和吸收性与光率体有密切联系。非均质体的多色性和吸收性与光率体有密切联系。一轴晶一轴晶有两个主折射率有两个主折射率Ne及及No，当入射光的振，当入射光的振动方向与这两个折射率主轴平行时，显示一轴晶动方向与这两个折射率主轴平行时，显示一轴晶两个主要的颜色。两个主要的颜色。电气石电气石多色性公式多色性公式为：为：No兰紫色兰紫色 Ne浅紫色浅紫色 吸收性公式吸收性公式为：为：NoNe二轴晶二轴晶二轴晶二轴晶有三个主折射率有三个主折射率Np、Nm、Ng，多色性及吸收性与这三，多色性及吸收性与这三个主折射率轴所确定的振动方向有关。个

24、主折射率轴所确定的振动方向有关。普通角闪石普通角闪石：多色性公式：多色性公式：Ng 深棕色深棕色 Nm黄棕色黄棕色 Np浅黄绿色浅黄绿色 吸收性公式：吸收性公式：Ng Nm Np确定晶体的多色性公式和吸收性公式，须在定向切片中进行。确定晶体的多色性公式和吸收性公式，须在定向切片中进行。五、轮廓、糙面、突起和贝克线的观察五、轮廓、糙面、突起和贝克线的观察 薄片中，晶体折射率的相对高低，可以通过晶体轮廓、薄片中，晶体折射率的相对高低，可以通过晶体轮廓、突起、糙面及贝克线等现象的观察加以判定。突起、糙面及贝克线等现象的观察加以判定。轮廓：轮廓：在单偏光镜下，有的矿物的边缘在单偏光镜下，有的矿物的边缘

25、轮廓轮廓粗黑清楚，而有粗黑清楚，而有的边缘很细亮，不易辨别，这种现象称为轮廓清楚或的边缘很细亮，不易辨别，这种现象称为轮廓清楚或不清楚。不清楚。薄片中晶体边缘的明暗粗细，决定于矿物的折射率与薄片中晶体边缘的明暗粗细，决定于矿物的折射率与树胶树胶N差值的大小（加拿大树胶折射率为差值的大小（加拿大树胶折射率为1.54）。）。（1）的晶体，边缘轮廓粗而黑暗，显得很清楚；）的晶体，边缘轮廓粗而黑暗，显得很清楚；（2）的晶体边缘较细较清楚；）的晶体边缘较细较清楚；（3）的晶体边缘很不明显；）的晶体边缘很不明显；（4）的晶体轮廓也较清楚。）的晶体轮廓也较清楚。糙面：糙面：单偏光镜下，有些矿物表面似乎比较光

26、滑，有的则较单偏光镜下，有些矿物表面似乎比较光滑，有的则较为粗糙，这种现象称为为粗糙，这种现象称为糙面糙面。矿物与树胶折射率相差。矿物与树胶折射率相差愈大，粗糙感就愈显著，反之，粗糙感就不明显。愈大，粗糙感就愈显著，反之，粗糙感就不明显。糙面与轮廓的关系糙面与轮廓的关系 糙面显著的矿物，轮廓也清楚。糙面显著的矿物，轮廓也清楚。突起：突起：单偏光镜下，有的矿物比周围的矿物要高些，有的单偏光镜下，有的矿物比周围的矿物要高些，有的 又好象是低些，这种矿物高低的感觉称为突起。又好象是低些，这种矿物高低的感觉称为突起。（1）凡折射率比树胶大的晶体，属于正突起；凡折射率比树胶大的晶体，属于正突起；（2）凡

27、折射率比树胶小的晶体，属于负突起。凡折射率比树胶小的晶体，属于负突起。贝克线：贝克线：在折射率不等的两个介质交界处，在减弱入射光量的在折射率不等的两个介质交界处，在减弱入射光量的条件下，有一条细的明亮光带，稍微升降镜筒时，这条件下，有一条细的明亮光带，稍微升降镜筒时，这条亮带作明显的移动，这条亮带称为贝克线。条亮带作明显的移动，这条亮带称为贝克线。灵敏度灵敏度：介质折射率差值：介质折射率差值0.001时，贝克线仍清楚。若采用时，贝克线仍清楚。若采用单色光来观察，灵敏度可达单色光来观察，灵敏度可达0.0005。移动规律移动规律：提升镜筒时，贝克线向折射率高的方向移动，下降：提升镜筒时，贝克线向折射率高的方向移动，下降镜筒时，贝克线向折射率小的方向移动。镜筒时，贝克线向折射率小的方向移动。