晶体光学必备知识点.docx

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，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。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)；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，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,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色。如果矿物的双折率较大，则在两个相对的象限内出现对称的双曲线形干涉色色带，在光轴所在的两个象限内，干涉色由中心向两边逐渐降低，其它两个象限内，干涉色由中心向两边逐渐生高。成因：可用平行光轴切面波向图解释（图5-3右）。应用：当轴性已知时，可以确定切片类型和光性符号图5-3 平行光轴切面干涉图（左）波向图（右）光轴方向AAPP光轴方向三、二轴晶干涉图主要类型（一）垂直锐角等分线切面干涉图（1）垂直Bxa切面干涉图的特点（图5-4）在0位置时：由一个黑十字及“”字形干涉色色环组成。黑十字交点在视域中心，为Bxa出露点。黑十字的两条臂粗细不等，在光轴面迹线方向黑臂较细，且在两光轴出露点处最细；在Nm方向黑臂较粗。“”字形色环以两个光轴为中心，干涉色向外逐渐升高，当矿片双折射率很低时，四个象限只有一级灰白干涉色，无干涉色色环。图5-4 垂直锐角等分线切面不同位置的干涉图转动物台：黑十字逐渐分裂为一对双曲线形的黑臂。在45位置时：双曲线形的弯曲黑臂顶点相距最远，顶点的距离与光轴角的大小成正比，双曲线的顶点即光轴的出露点，其连线方向为光轴面迹线，中点为Bxa出露点。在90位置时：黑臂完全复原为黑十字，只是光轴面及Nm方向互换了位置。（2）垂直Bxa切面干涉图的成因解释拜-弗定律：光波沿任意方向射入二轴晶矿物中，垂直此入射光波的光率体椭圆半径，必定是入射光波与两个光轴所构成的两平面夹角的两个平分面与光率体椭圆切面的二条交线方向。图5-5 垂直Bxa切片不同位置的波向图及干涉图成因示意图A. 0 位置B. 45 位置C. 90 位置PAAPPAPAAPPAA应用到垂直锐角等分线切面上:：垂直任一入射光波的光率体椭圆半径，必定是入射光波出露点与两个光轴出露点联线所构成的两个夹角的角平分线方向。据此可以绘出垂直锐角等分线切面光率体椭圆半径分布的波向图。（3）在45位时光率体要素分布和Bxa/Bxo的投影方位(图5-5)图5-5 垂直Bxa切面45位时光率体要素分布(左)和Bxa/Bxo的投影方位(右)Bxa投影方向Bxo投影方向Bxa投影方向NmNmNmAP锐角区Nm钝角区钝角区锐角区（4）垂直Bxa切面干涉图的应用确定轴性及切片类型（2V小于45）测定光性符号：测定光轴角大小.（二）垂直一个光轴切面的干涉图（1）垂直一个光轴切面干涉图特点总体特征：相当于垂直Bxa切面干涉图的一半。光轴出露点位于视域中心。在0位置时：光轴与上下偏光振动方向平行，出现一条直的黑臂及卵形干涉色色环，黑臂最细的地方为光轴出露点.转动物台：黑臂逐渐发生弯曲。至45位置时，黑臂弯曲最大。黑臂弯曲的顶点位于视域中心，为光轴的出露点，凸向Bxa的出露方位.当物台转动角度大于45时：黑臂又渐趋平直，到90时，黑臂完全恢复平直，只是方向恰与最初位置正交。继续转动物台上述变化重复出现。（2）垂直一个光轴切面干涉图的应用确定轴性及切片类型 ( 适用于2V 小于80 );测定光性符号。测定光轴角大小：根据垂直光轴切片干涉图中黑带弯曲程度目估2V大小。测量 Nm 颜色（三）斜交光轴切面干涉图相当于垂直Bxa或垂直光轴切面干涉图的某一部分，图象类型繁多，它们的黑十字和黑臂及干涉色色环都不完整，旋转物台时，黑臂常呈弯曲状扫过视域。其中有两种类型的干涉图非常有用，即近于垂直光轴和近于垂直Bxa切面的干涉图，它们与垂直光轴和垂直Bxa切面干涉图的应用大体相同。（四）平行光轴面切面干涉图干涉图特征与一轴晶平行光轴的干涉图相似，也称瞬变干涉图或闪图。当切面的Bxa与Bxo分别平行上下偏光的振动方向时： 视域出现一个粗大模糊的黑十字，几乎充满视域.转动物台小角度（7-10）：黑十字迅速分裂为两个双曲线形状黑臂逸出视域，黑臂逸出方向为Bxa方向.转到45位置时：视域最亮，并出现干涉色 若矿片双折射率较大或矿片较厚时，可以看到对称的干涉色带，从中心向外缘，沿Bxa方向上的两个象限，干涉色降低，沿Bxo方向的两个象限干涉色升高.干涉图应用：主要用以确定切面类型，但当轴性已知时，可用来测定光性正负。（五）垂直钝角等分线(Bxo)切面干涉图干涉图特征与垂直Bxa切面干涉图形相似。只是黑十字显得更大而模糊，光轴出露点不在视域之内。视域中心为Bxo的出露点垂直 Bxo切面干涉图应用：只有在切片类型能够确定时，才能用来测定光性符号。第六章 透明矿物薄片系统鉴定在单偏光、正交偏光、锥光系统下观察测定未知透明矿物的一系列光学性质和光学常数，对照光性矿物鉴定表，准确定出矿物名称的过程(必要时配合其它测试方法)。本章将前面所学知识有机地结合起来，按照一定的内容、方法、程序来达到鉴定矿物的目的。其中，定向切片的选择及其应用是本章的重点。一、透明矿物系统鉴定的内容1、单偏光系统：矿物形态、解理等级、解理夹角、颜色、多色性、吸收性、突起等级。2、正交偏光系统：最高干涉色级序、最大双折射率、消光类型、消光角、延性符号、双晶类型。3、锥光系统：轴性、切片类型、光性符号、光轴角。二、定向切片的选择1、定向切片选择的必要性:矿物的许多光学常数必须在定向切片上测定,因此要进行透明矿物的系统鉴定，必须选好定向切片.2、常用定向切片类型(1)垂直光轴切片(近于垂直光轴切片)(2)平行光轴或平行光轴面切片3、常用定向切片的特点及应用(表6-1)表6-1 常用定向切片特点及可测光学常数简表切片类型单偏光正交偏光锥光可测常数无色有色垂直光轴切片当该矿物具有闪突起时，该矿片不显闪突起多色性不明显全消光。转动物台其明暗变化不明显一轴晶干涉图由黑十字和干涉色圈组成，转动物台360图像不变。二轴晶干涉图由一条黑臂与干涉色圈组成，转动物台黑臂弯曲（当2V=90时黑臂不弯曲）No或Nm的颜色及折射率值、轴性、光性符号、二轴晶光轴角及色散平行光轴或光轴面切片当该矿物具有闪突起时，该矿片闪突起最明显多色性明显干涉色最高闪图Ne,No或Ng,Np的颜色及折射率值，最高干涉色、最大双折射率, CNg（单斜辉石及闪石。Nmb）三、透明矿物薄片系统鉴定的程序1、区分均质体与非均质体矿物（1）均质体矿物：在正交偏光镜下为全消光，在锥光镜下无干涉图。（2）非均质体矿物：除垂直光轴的切片在正交偏光镜下为全消光外，其它切片在正交偏光镜下为四次消光，四次明亮。非均质体矿片在锥光镜下呈现各种不同的干涉图。.2、均质体矿物的鉴定：观察单偏光镜下晶体光学性质(晶形、解理、颜色、突起等级、包裹体、次生变化等)。3、非均质体矿物的鉴定（1）非定向切片的观察和测定在单偏光镜下观察和测定：晶形,解理,测定解理夹角,颜色,突起等级,闪突起及包裹体等特征。正交偏光镜下观察和测定：消光类型, 测定延性符号,观察双晶类型.（2）定向切片的观察和测定在锥光镜下确定轴性、切片类型、光性符号、光轴角的大小。在单偏光镜下观测多色性、异向吸收性。在正交偏光镜下观测最高干涉色级序、最大双折射率值、CNg(单斜晶系 bNm)。4、查阅光性矿物鉴定表(P168)，确定出矿物名称。第七章 常见造岩矿物的薄片鉴定造岩矿物按其色率可以分为暗色矿物和浅色矿物，本章学习和鉴定的矿物主要有七大类。暗色矿物包括橄榄石类、辉石类、角闪石类和云母类；浅色矿物包括石英类、长石类、和碳酸盐类。学习重点是了解并掌握七大类矿物的一般特征和常见变种的鉴定特征。难点是相似矿物的区别。一、橄榄石类橄榄石化学通式：R2SiO4，R=Mg,Fe,Ca,Mn等。橄榄石分类：可分为三个系列。(1)镁橄榄石-铁橄榄石系列。(2)锰橄榄石-铁橄榄石系列。(3)钙铁橄榄石-钙镁橄榄石系列。橄榄石（贵橄榄石）主要光学特征:多为粒状、无色、正高突起、解理不发育、裂开发育，最高干涉色二级末到三级初，平行消光、二轴晶、()2V角近90。二、辉石类辉石化学通式：R2Si2O6，R=Mg、Fe、Al、Ca、Na等。辉石分类：按其结晶特点可以分为两类。(1)斜方辉石亚族（紫苏辉石、顽火辉石等）。(2)单斜辉石亚族（普通辉石、透辉石、霓辉石等）。共同光学特征：多为短柱状、横截面多为四边形和八边形，可见两组近正交完全解理，纵切面长方形，多见一组完全解理，正高突起，横截面多对称消光，2V角中等。辉石主要变种的光学特征:紫苏辉石：具有弱多色性，平行消光，最高干涉色一级顶部，负光性。单斜辉石：一般无色，斜消光（CNg大于30），最高干涉色二级初，一般正光性。紫苏辉石和单斜辉石的主要区别：颜色、消光类型、干涉色级序、光性符号。橄榄石和普通辉石的主要区别：形态、颜色、解理、消光类型、干涉色级序、2V。三、角闪石类角闪石分类：按其结晶特点可以分为两类。斜方闪石类：直闪石、铝直闪石等。单斜闪石类：普通角闪石、透闪石等。角闪石共同特征：绝大多数角闪石属单斜晶系，形态多为沿c轴呈长柱状，针状或纤维状。横断面呈菱形或六边形，具有两组完全的斜交解理（54.5- 56），一般为正中突起。普通角闪石：薄片中常具有较深的绿色、褐色或棕色等，碱性种属常带有蓝色调。正吸收性，斜消光（CNg小于30），二轴晶，一般为负光性，2V角比较大。透闪石：与普通角闪石的区别主要在于其无色及消光角CNg较小。四、云母类云母类型：黑云母、白云母、金云母。共同特征：片状，一组极完全解理，平行消光，干涉色较高且鲜艳。黑云母：棕褐色，红褐色，多色性明显，2V角特别小（假一轴晶）。白云母：无色，闪突起明显，2V角30- 50左右。金云母：浅褐-浅黄白色，弱多色性，闪突起比较明显，2V角0-20。注意产状。五、长石类长石类型：碱性长石（正长石、微斜长石、条纹长石、透长石）和斜长石。共同特征：板状，无色，两组解理完全（夹角近90度），突起低()，干涉色一级灰，二轴晶(+)。碱性长石：负低突起，其中正长石具有卡氏双晶，多为平行消光；微斜长石具有格子双晶；条纹长石具有条纹结构；透长石与正长石区别在于产状。斜长石：正低突起(除钠长石和一部分更长石外)，聚片双晶，斜消光。斜长石号码的测定方法(1)垂直(010)晶带最大消光角法(2)卡钠复合双晶消光角法(3)垂直a轴切面中的消光角法碱性长石与斜长石区别：突起、双晶、消光类型。六、石英的鉴定特征石英的主要光学性质粒状,无色,无解理,正低突起,干涉色多一级灰白,常具有波形消光,一轴晶(+),正延性.石英与长石类的区别表面干净,无解理,无双晶.一轴晶(+),正延性.七、方解石的鉴定特征方解石的光性特征三方晶系，一般无色，镜下常见两组解理，闪突起明显，对称消光，高级白干涉色，一轴晶 (-)。方解石的鉴定特征：闪突起、高级白干涉色、一轴晶(-)。