晶体光学基础2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 晶体光学基础,第一节 光在晶体中的传播,1,光的特征,光是一种电磁波，振动方向与传播方向垂直（横波）,可见光是电磁波谱中的一段，波长,3900,7700,埃。,3900,4460,4640,5000,5780,5920,6200,7700,|,紫,|,兰,|,青,|,绿,|,黄,|,橙,|,红,|,一、自然光与偏光,1,根据光波的振动特点，可见光可分为,自然光,偏光,由光波的振动方向及传播方向所构成的平面叫振动面。,第一节 光在晶体中的传播,2,2,自然光,第一节 光在晶体中的传播,一切普通光源所发出的光都是自然光,它是光源中大量分子或原子辐射的电磁波的混合,在垂直光波传播方向的平面内，一切方向上都有光振动，而且在宏观统计规律上各方向上的光振动的大小是均匀的,自然光特征在垂直于光波传播方向的平面内各方向都有振幅相等的光振动。,3,3,偏光,第一节 光在晶体中的传播,自然光经过反射、折射、双折射等作用，转变为只有一个固定振动方向的光波，称为偏振光，简称偏光。,偏光振动面只有一个，因此以叫平面偏光。,晶体光学中主要是利用平面偏光，很少利用自然光,偏光显微镜研究晶体时是把自然光经过折射或选择性吸收作用转变为偏光。,4,二光的折射及折射率,1,、折射率的概念,无论自然光还是偏光，当从一种介质传播到另一介质，在两介质的界面上将产生折射现象,由于光在不同的介质中的传播速度不同，介质分界面上光发生不同程度的折射进入第二种介质,入射角正弦与折射角正弦之比，对于两种固定的介质来说，是一个常数。这就是折射定律。可以用公式表示：,式中,Vi:,光在入射介质中（介质,1,）的传播速度，,i:,入射角,Vr,光在折射介质中（介质,2,）的传播速度，,r:,折射角,N:,折射介质对入射介质的折射率,第一节 光在晶体中的传播,5,2,、绝对折射率,如果把真空作为第一种介质，任何物质相对于真空的折射率称为绝对折射率，简称折射率。,空气的折射率为,1.003,即光在空气中的传播速度与真空中相近，通常把空气折射率近似看作,1,。,从上式也可以看出，光在介质中的传播速度越大，折射率越小。晶体中光的传播速度总是小于真空，因而晶体中的折射率总是大于,1,。,第一节 光在晶体中的传播,6,3,、折射率色散,第一节 光在晶体中的传播,同一种介质的折射率大小视所用光波的波长而异,对于同一介质，光波的波长与折射率成反比。同一介质在紫光中测得的折射率最大，在红光中测得的折射率最小,晶体的折射率色散能力，是指晶体在两种波长中测定的,N,值之差，差值越大，色散能力越强，差值越小，色散能力越弱。如萤石色散能力弱，,N,紫,N,红,0.00686,。金刚石色散能力强，,N,紫,N,红,0.05741,不同状态的介质，色散能力也有差异，液体色散能力较固体强,为了不受色散影响，测折射率宜在单色光进行，通常的利用黄光,7,4,、全反射,第一节 光在晶体中的传播,光从光疏介质光密介质，入射角会小于折射角，当折射角等于,90,度时，光线不再进入第二介质，而是全部从界面上反射回来，这种现象叫全反射,此时的入射角称为临界角。可以用下式表示：只要知道了两种介质的,N,值的大小，即可得出临界角的大小。,8,三、光在均质体及非均质体中的传播特点,1,、透明物质分类,光性均质体和光性非均质体,光性均质体,光在其中传播的速度不因振动方向的不同而发生改变,光在各个方向的传播速度不变，在均质体中任何方向上的折射率均相等，折射率值只有一个,自然光入射均质体后仍然是自然光，偏光入射均质体后振动方向不发生改变,等轴晶系及一切非晶质体都是光性均质体。不同均质体中光的传播速度不同。,第一节 光在晶体中的传播,9,光性非均质体,光在其中传播时，其传播速度随振动方向的不同而发生改变的一类物质,自然光进入光性非均体后，原任意方向振动的光波，就变成两个振动方向垂直的光波,且此二光波的传播速度除个别方向外，一般是不等的。,第一节 光在晶体中的传播,10,2,、双折射现象,：,第一节 光在晶体中的传播,一轴晶,只有一个方向不发生双折射，即一根光轴,此类晶体有三方晶系、四方晶系、六方晶系体,二轴晶,有两个方向不发生双折射，即两根光轴,此类晶体有斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系,光入射非均质体，产生两条振动方向垂直的光波，这种现象称为双折射,光波入射光性非均质体中只有特定方向不产生双折射，不发生双折射的特殊方向称为光轴。,11,第一节 光在晶体中的传播,一轴晶双折射的特点,:,一束偏光的振动方向永远垂直光轴,传播速度及折射率值不变，称为常光,符号,O,表示,常光的折射率值不随入射光波的振动方向的改变而改变，其折射率值用,No,表示,另一偏光的振动方向在光波的传播方向及光轴所构成的平面内,其传播速度与折射率值随光波的振动方向的改变而改变，称为非常光，以符号,E,表示，折射率值用,Ne,表示。,12,一、光率体的概念,光率体是表示光波在晶体中传播时，光波振动方向与相应的折射率值之间关系的一种光性指示体,设想各方向入射的光波均通过晶体的某点振动，在各方向上依其,N,值的大小按比例截取一线段，再把各线段的端点联结起来，即成光率体,光率体是一立体图形，是从光波振动方向与相应的折射率的实际测量中抽象得出的概念，它形状简单，应用方便，是解释一切晶体光学现象的基础。,各类晶体的光学性质不同，光率体亦不同,第二节 光率体,13,光波在均质体中传播，其传播速度不因传播方向的改变而改变,自然光入射后也不发生双折射，,对于确定介质来说，折射率值为常数。,按光率体作图法，其图形为一球体，,任意一个通过光率体中心的切面为一圆形。,第二节 光率体,二均质体光率体,14,1,、光率体的构成,当光线垂直石英,C,轴入射，振动方向垂直,C,轴，,N,1.544,，（,No,常光）。振动方向平行于,C,，,N,1.553,，（,Ne,为非常光）。,以此二线段构成椭圆的两轴，以,Ne,为旋转轴，得一旋转椭球体，即为一轴晶光率体（正光性）。,这种光率体特点：其旋转轴为长轴（光轴），光线沿光轴方向振动的折射率值大，垂直光轴方向振动的折射率值最小。,第二节 光率体,三一轴晶光率体,当光波垂直方解石,C,轴入射，发生双折射，折射率值,No,1.658,，,另一束偏光非常光振动方向平行,C,轴，折射率值,Ne,1.458,以,C,轴为旋转轴，得一扁平的旋转椭球体，凡此种特点的光率体称为负光性光率体。,15,2,、光率体形状,第二节 光率体,一轴晶晶体的水平结晶轴单位相等，水平方向上的光学性质相同,一轴晶光率体是一个以,C,轴为旋转轴的旋转椭球体,一轴晶光率体有正负之分。正光性光率体旋转轴为长轴，负光性旋转轴为短轴。,16,3,、光性正负的判断,无论是正光性还是负光性，一轴晶光率体都是旋转椭球体，其旋转轴永为,Ne,轴。水平轴永为,No,轴。,Ne,与,No,代表一轴晶矿物折射率的最大值与最小值，称为主折射率。,Nmax,一般以,Ng,表示,，,Nmin,以,Np,表示,当,Ng,Ne,，,Np,No,时为正光性,当,Ng,No,，,Np,Ne,时为负光性,Ng,与,Np,之差（,Ng,Np,）,是一轴晶矿物最大双折射率,第二节 光率体,17,4,、一轴晶光率体的主要切面,第二节 光率体,镜下鉴定矿物时遇到的晶体各个方向的光率体切面，一轴晶光率体的主要切面有三种,A,垂直光轴切面,垂直光轴切面形状为圆形，半径为,No,光波垂直这种切面入射，不发生双折射，也不改变入射光波的振动方向，折射率值为,No,双折射率值为,0,，一轴晶光率体只有一组这样的切面,。,18,第二节 光率体,B,平行光轴切面,切面为椭圆，长短轴分别为,Ng,及,Np,（,正光性时长轴为,Ne,，,负光性时短轴为,Ne,）,光波垂直入射（垂直光轴）发生双折射，分解成两束偏光，其振动方向分别与椭圆的长短半径平行，折射率分别等于,Ne,及,Np,此种切面上有最大双折射率,Ng,Np,C,斜交切面,斜交切面仍为椭圆，长短半径分别为,No,及,Ne,，,光波垂直此种切面入射，发生双折射双折射率等于,|,Ne,No|,双折射率递变于,0,与,Ng,Np,之间,一轴晶任何斜切面始终有一个半径是,No,，,当为正光性时，短轴为,No,，,当为负光性时，长轴为,No,。,19,第二节 光率体,1,、二轴晶光率体的形状,低级晶族属于二轴晶，这类晶体有大中小三个主折射率,主折射率分别与空间相互垂直的三个振动方向相当，符号,Ng,、,Nm,、,Np,，,其他振动方向相当的折射率递变于,Ng,、,Nm,、,Np,之间。分别以,Ng,、,Np,表示即：,NgNgNm,Np,Np,三、二轴晶光率体,20,第二节 光率体,二轴晶光率体实例,二轴晶椭球体是三轴不等的椭球体。,镁橄榄石对称型为3L,2,3PC，当入射光分别平行三主轴时，三个主折射率分别是：,|c入射，a方向：1.715，b方向：1.652|a入射，c方向：1.680，b方向：1.651|b入射，a方向：1.715，c方向：1.680,把这三个椭圆切面按他们的空间方位联系起来，即为其光率体，是一个三轴椭球体，三轴称为光学主轴。在三个主切面上，平行a,b,c三轴的三个主折射率分别是Ng,Nm,Np大中小以表示，其他二轴晶也有此性质。三轴椭球体的三轴相对大小,21,第二节 光率体,2,、二轴晶光率体的主要光学方向,二轴晶光率体有三个主折射率，分别与相互垂直的三个振动方向相当，值的大小、振动方向在晶体中的位置有差别,椭球体的三个相互垂直的轴，代表二轴晶三个主要光学方向，称为光学主轴,包含二主轴的切面称为主轴面，二轴晶有三个相互垂直的主轴面，即,NgNm,面、,NgNp,面、,NmNp,面,光率体的,NgNp,之间可作一系列的切面，它们的半径之一始终为,Nm,，,另一半径递变于,NgNp,之间，总可以找到一半径为,Ng,Nm,，,那么这个切面的形状为圆，同样在光率体的另一侧也有此圆切面,当光波垂直二圆切面入射，不发生双折射，此二方向为二轴晶的光轴，故称为二轴晶，以符号,OA,表示。,22,第二节 光率体,3,、光性正负及光轴角大小,包含二光轴的切面称为光轴面（即,N,N,面）。以符号,AP,表示。,过中心垂直光轴面的直线称为光学法线（即,N,）。,二光轴所夹角称为光轴角，锐角符号,2V,，,钝角符号,2E,。,锐角平分线叫,Bxa,，钝角平分线叫,Bxo,。,二轴光率体也有正负之分，区分正负光性以,N,或,N,为锐角平分线来定,B,N,，,B,N,：正光性,B,N,，,B,N,：负光性,以,N,、,N,、,N,的相对大小，也可判断光性正负,当,N,N,Nm,Np,时，则,Bxa,Ng,，,正光性,当,Ng,NmNm,Np,时，则,Bxa,Np,，,负光性,2V,的大小，可按下式求得：,23,4,、二轴晶光率体的主要切面,A,垂直光轴的切面,切面圆形，光线垂直（平行光轴）入射，此面上任意方向振动的折射率相等，都为,N,o,，,无双折射,B,平行光轴面的切面,平行光轴面的切面即,NgNp,主轴面，为椭圆切面，长短半径分别为,Ng,、,Np,，,光垂直入射（沿,Nm,方向），发生双折射，振动方向分别平行于,Ng,、,Np,，,折射率分别为,Ng,、,Np,，,双折射率为,Ng,Np,，,为二轴晶最大双折射率。,第二节 光率体,24,第二节 光率体,C,垂直,Bxa,的切面,正光性时相当于,NmNp,主轴面，负光性时相当于,NmNg,主轴面。,双折射值正光性时为,Nm,Np,，,负光性时为,Ng,Nm,D,垂直,Bxo,切面,正光性时相当于,NmNg,面，负光性时相当于,NmNp,面,垂直此面的双折射率值总是大于垂直,Bxa,切面的双折射率值，无论它是正光性还是负光性。,25,第二节 光率体,E,斜交切面,即不垂直主轴也不垂直光轴的切面为斜交切面,它们都是椭圆切面，可分为两类。一类为垂直主轴面的切面（称半任意切面）椭圆有一半径为主轴，另一半径为,Ng,或,Np,另一类为任意切面，长短半径分别为,Ng,Np,双折射率变化于,Ng,Np,及,0,之间。,26,光性方位的概念,光率体主轴与结晶轴之间的关系称为光性方位,不同的晶体具有不同的光性方位,同一种晶体光性方位基本固定。,一、一轴晶光率体在晶体中的位置,一轴晶为旋转椭球体，在晶体中，其光轴（旋转轴）与结晶轴,C,轴（晶体的高次对称轴）一致,第三节 光性方位,27,二二轴晶光率体在晶体中的位置,二轴晶光率体为三轴椭球体。具在三个相互垂直的二次对称轴、三个对称面及对称中心，与斜方晶系相当。,斜方晶系的光性方位：三个二次对称轴与光率体的三个主轴重合一致，三个对称面与主轴面重合。但重合的方式有六种，即：,Ng|X,，,2,种；,Ng|Y,，,2,种；,Ng|Z,，,2,种。,单斜晶系光性方位：单斜晶系最高对称型,L,2,PC,，,光性方向为二次轴与主轴之一重合，另二晶轴与主轴以一定角度斜交，有三种不同方位，即,Ng|b,Nm|b,Np|b,.,三斜晶系光性方位：仅,C,与光率体中心重合，光率体主轴一晶轴斜交。,第三节 光性方位,28,