晶体光学必备知识点.docx
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1、晶体光学-必备知识点以上是吉林大学鸽子楼老师多年课件总结经典内容。第一章晶体光学基础晶体光学涉及某些重要的物理光学原理和结晶矿物学基础知识,本章要求学生重点掌握光的偏振现象、折射及折射率、光在晶体中的传播特性、晶体中的双折射现象、光率体和光性方位。其中重点是晶体中的双折射现象和光率体的构成;难点是光性方位。一、光的基本性质及有关术语光具有“波粒”两相性。晶体光学主要利用的是光的波动理论。光波是一种横波。光的传播方向与振动方向互相垂直。晶体中许多光学现象与此有关。可见光:电磁波谱中波长范围390770nm的一个区段,由波长不同的七色光组成。自然光:在垂直光波传播方向的断面内,光波作任意方向的振动
2、,且振幅相等。偏振光:在垂直光波传播方向的断面内,光波只在某一固定方向上振动。自然光转化为偏振光的过程称偏振化。折射定律:Sin i(入射角)/ Sin a(折射角)= Vi(入射速度)/ Va(折射速度)= N i-aN i-a为介质a对介质i的相对折射律。当介质i为真空时,N i-a称介质的(绝对)折射律,以N表示。N是介质微观特征的宏观反映,是物质的固有属性之一,因此它是鉴定矿物的重要光学常数之一。全反射临界角和全反射:当光波从光密介质入射到光疏介质时,入射角i 总是小于折射角a ,当a = 90 时,i = f,此时入射角 f 称为全反射临界角。当入射角 i f 时,折射光波不再进入折
3、射介质而全部返回到入射介质,这种能量的突变称为全反射。二、光在晶体中的传播根据光在物质中的传播特点,可以把自然界的物质分为光性均质体和光性非均质体。光性均质体:指光学性质各方向相同的晶体。包括等轴晶系的矿物和非晶质物质。光波在均质体中的传播特点:光的传播速度不因光的振动方向不同而发生改变(各向同性),联系折射定律可知,均质体的折射率只有一个。光性非均质体:光性非均质体的光学性质因方向不同而改变(各向异性)。 包括中级晶族(一轴晶)和低级晶族(二轴晶)的矿物。光波在非均质体中的传播特点:光的传播速度因光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。因而非均质体的折射率也因光波在晶体中的振动方向不同而改变。
4、有关术语介绍:双折射、双折射率、光轴、一轴晶矿物、二轴晶矿物。(1)双折射:光波射入非均质体,除特殊方向外,将分解成振动方向互相垂直,传播速度不同,折射率不等的两种偏光,这种现象称为双折射。(2)双折射率:两种偏光的折射率值之差称为双折射率。许多晶体光学现象与此有关。(3)光轴:光波沿非均质体的特殊方向入射时,不发生双折射,这种特殊的方向称为光轴。中级晶族具有一个这样的特殊方向,称为一轴晶矿物;低级晶族具有两个这样的特殊方向,称为二轴晶矿物。三、光率体光率体是表示光波在晶体中传播时,折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形或一种光性指示体。其作法是设想自晶体中心起,沿光波振动方向按比例截取
5、相应的折射率值,再把各个线段的端点连接起来便构成了光率体。均质体光率体:其传播速度不因振动方向不同而发生改变,即折射率值各方向相等。因此均质体光率体是一个球体,球体的半径代表该晶体的折射率。一轴晶光率体:一轴晶光率体是一个以C轴为旋转轴的旋转椭球体。(1)有关术语解释:光学主轴(Ne轴、No轴);主折射率(Ne、No);折射率(Ne);正光性(NeNo);负光性(Ne No(正吸收)或 Ng Nm Np(反吸收)等.影响因素:矿物本身性质,切片方向,薄片厚度。四、与矿物折射率有关的光学性质(边缘、贝克线、糙面、突起、闪突起)(1)突起:在薄片中观察,不同矿物的表面有高低不平的感觉,这种现象称突
6、起。原因:不同矿物折射率与树胶折射率的差值不同,像点的位置就会高低不一样。分类:矿物的折射率大于树胶的折射率时,称正突起,矿物的折射率小于树胶的折射率时,称负突起。具体划分为六个等级(表3-1)表3-1 突起等级分类及各级突起主要特征突起等级折射率糙面及边缘特征实例负高突起 1.78糙面极其显著,边缘很宽。石榴石(2)闪突起:在单偏光镜下,旋转物台,双折射率很大的矿片,突起高低会发生明显的变化。这种现象称闪突起。方解石、白云母等矿物的闪突起是其重要的鉴定特征。(3)贝克线和边缘:折射率不同的矿物接触时,由于光的折射和反射作用,使其接触处的光线聚散不一。光线集中的一侧产生一条亮线,称贝克线(光带
7、);光线缺少的一侧产生一条黑暗的轮廓,称边缘。它们可以用来判断相邻两矿物折射率相对大小(突起高低)。(4)糙面:矿物表面的光滑程度不同,有些矿物的表面显得较为粗糙,这种现象称糙面。第四章正交偏光系统下晶体的光学性质正交偏光系统指在同时使用上、下两个偏光镜的情况下,观察和测定矿物光学性质的系统。在正交偏光系统下,通过下偏光镜的偏光,进入薄片,通过上偏光镜后到达目镜,将产生一系列光学现象。本章讲授和实验观察的主要内容包括消光现象及消光位、干涉现象及干涉色、补色法则和补色器及正交偏光间主要光学性质的观测和测定。注意,在不放任何矿片时,通过下偏光镜的光波其振动方向与上偏光镜的振动方向互相垂直,光波不能
8、通过,视域黑暗,以此可以检查上、下两个偏光镜的振动方向是否互相垂直。一、正交偏光镜间矿片的消光现象及消光位消光现象:矿片在正交偏光镜间呈现黑暗的现象。按其特点分为全消光和四次消光。全消光:旋转物台一周,均质体或非均质体垂直光轴切片的消光现象(黑暗)不改变。四次消光:旋转物台一周,非均质体晶体非垂直光轴切片的光率体椭圆半径有四次与下偏光镜平行的机会,故出现四次黑暗(消光)现象。消光位:非均质体非垂直光轴切片在正交偏光镜间处于消光现象时的位置。注意,矿片处于消光位时矿片光率体椭圆半径分别与上、下偏光镜的振动方向平行。二、正交偏光镜间矿片的干涉现象(1)干涉作用:非均质体晶体非垂直光轴的矿片,其光率
9、体椭圆半径与上、下偏光镜振动方向斜交(即矿片不在消光)时,透过晶体分解的两束光波,频率相等,具有固定的光程差且在同一平面内振动(上偏光镜振动面),因此必然发生干涉作用。(2)控制因素:光程差(R)。如果光源为单色光,当光程差等于该单色光半波长的偶数倍时干涉的结果是互相抵消而变黑暗;当光程差等于单色光半波长的奇数倍时,干涉的结果是互相迭加使亮度增强;如果光程差介于二者之间,干涉的结果介于黑暗与最亮之间。光程差 R = d。其中,d为矿片厚度;为矿物的双折射率。45位置:矿片的光率体椭圆半径与上、下偏光镜成450角(矿片最明亮)时的位置。(3)干涉色及其成因如果光源为单色光,随着光程差的逐渐增大,
10、将依次出现明亮相间的干涉条带。改变光程差的方法是利用石英楔。如果光源为白光,干涉结果就是一系列复杂彩色条带的组合。即干涉色。(4)干涉色级序及各级序特征用白光做光源,在正交偏光镜间缓慢推入石英楔,随着石英楔的慢慢推入,光程差连续地增大,视域内出现的干涉色由低到高有规律的变化,这种规律性变化叫做干涉色色序。通常可以划分为四-五个级序(干涉色色谱表)。当光程差非常大时,将出现一种与珍珠表面类似的亮白色,称高级白干涉色。三、补色法则和补色器:(1)补色法则:在正交偏光镜间的450位置,放置两个互相重迭的非均质体矿片(垂直光轴方向切片除外),光通过这两个矿片后,它们总的光程差增减的法则。同名半径平行,
11、干涉色级序升高。异名半径平行,干涉色级序降低。若R1=R2, 视域内变黑暗,这种现象称消色.(2)补色器:主要掌握石膏试板(l)、云母试板(l/4)和石英楔(1-3级)的特点及应用。第五章锥光系统下晶体的光学性质本章主要内容包括锥光系统的构成及其产生的光学现象-干涉图;不同轴性、不同切面类型干涉图的特点、成因及应用。难点是波向图的构成及其对干涉图成因的解释;重点是不同切面干涉图的特点和应用。一、锥光系统的构成及特点锥光系统的构成:在正交偏光系统的基础上,加入聚光镜并将其提升到最高位置,换用高倍物镜,推入勃氏镜或去掉目镜,便构成了锥光系统。聚光镜的作用:把透过下偏光镜的平行偏光转变成锥形偏光。其
12、特点是除中央一条光波垂直入射矿片外,其余光波均倾斜入射矿片,且愈向外倾角愈大,通过矿片的距离愈长。高倍物镜的作用:能接纳较大范围的倾斜光波,使观察到的干涉图更完整。勃氏镜的作用:勃氏镜与目镜联合组成一个宽角度望远镜式的放大系统,可看到放大的干涉图图象;去掉目镜,能直接观察镜筒内干涉图实象,其图形虽小,却很清晰。二、干涉图均质体:光学性质各方向一致。任何方向的入射光都不发生双折射,不会产生干涉图。非均质体:光学性质随方向而异。在锥光系统中,观察到的是锥形偏光束中各个不同方向的入射光波,通过晶体到达上偏光镜后产生的消光现象和干涉现象的总和,它们构成一种特殊的图形,称为干涉图。注意,干涉图并不是物体
13、本身的映象。三、一轴晶干涉图主要类型NeNo图5-1一轴晶垂直光轴切面干涉图(左)波向图(右)(一)垂直光轴切面干涉图垂直光轴切面干涉图的特点干涉图由一个黑十字和同心环状干涉色圈组成,旋转物台360,干涉图不变化(图5-1)注意黑十字交点位于视域中心,是光轴的出露点,两条黑带分别平行上下偏光镜的振动方向,干涉色色圈从中心向外越来越密且干涉色级序升高。垂直光轴切面干涉干涉图的成因一轴晶垂直光轴切面干涉图的成因可用一轴晶垂直光轴切面波向图解释(图5-1右)。垂直光轴切面干涉图的应用根据干涉图的特点及波向图可以确定轴性、切片类型和光性符号(图5-2)。(二)小角度斜交光轴切片的干涉图A:Ne和No分
14、布NoNe降降升升降降升升图5-2 一轴晶垂直光轴切面干涉图光性符号测定示意图B:插入石膏检板(+)C:插入石膏检板(-)光轴出露点不在视域中心,但仍在视域之内,由不完整的黑十字和干涉色色环组成。四个象限的位置仍能分辨,光轴的出露点围绕十字丝交点作圆周运动,黑臂作上下、左右平行移动。其应用同垂直光轴切面干涉图(三)平行光轴切面干涉图当矿片处于0位时:视域中为一粗大而模糊的黑十字,几乎占满视域,只在四个象限边缘出现干涉色(图5-3左)。稍转物台(12-15):黑十字从中心分裂,并沿光轴方向迅速逸出视域,因变化迅速,故称闪图。当矿片处于45 位时:视域最亮。如果矿物的双折率较小,则只出现一级灰干涉
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