光的基本概念

一、光的性质

光可被认为是一种具有一定能量和动量的光子所组成。其传播方式可视为在垂直于光的进行方向上作周期性振动的横波。由于波动概念的确立就相应出现了如波长、振动频率、振动周期、光速、振幅、位相、折射、反射、干涉和偏化现象等术语。本书仅将与吸收性晶体有关的基本光学概念加以简介。光波运动的情况和振幅及位相的关系如图5-1所示，用质点的圆周运动来说明光波的形成情况，质点的运动用与光路垂直的圆周直径的相当部位的投影表示。圆周的半径为光波的振幅（它的平方与光强成正比）。光波中一给定质点的位置，可用圆周参考质点的位置表示。图5-1中光波上的A点为原始位置的起点，B点相当圆周上1到2的运动，其运动的角度为30°，即该质点在光波上的位相为30°，所以C点的位相为90°，D点的位相为180°，E点为270°。F点也即回至原始位置A点，故位相为0°。由于参考圆的一周即投影A至F点为波长λ，因此光波的位相也可用波长表示，如图5-1中，C点位相是λ/4。若两光波沿着平行的光路进行，位相可以不同，如相差30°、45°、90°、180°等。图5-2表示两光波的位相差为90°的情况。

图5-1 表示光波的形式和垂直于光路的振动情况及位相关系

（据卡梅伦，1961）

根据光的电磁理论，认为可见光是电磁波中的一部分，在整个电磁波中仅占极其狭小的一段，是物质原子、离子或分子的价电子发生振动而形成的。图5-3、5-4表示可见光在电磁波谱中所占的位置及可见光波中波长与颜色的关系。

二、光的偏振

前面已初步讨论了普通光的性质。光是一种横波，其振动方向垂直于传播方向。普通的自然光是由无数个光波所组成，每个光波都有它自己的振动面，即在传播光路中，包含在所有平面上振动的光波。由于对矿物的观测大多在偏光中进行，所以必须了解光的偏振情况。偏光有三种主要形式，即平面偏光（直线偏光）、椭圆偏光和圆偏光。

图5-2 表示两光波沿着平行光路进行，但位相差90°

（据卡梅伦，1961）

图5-3 可见光在电磁波谱中的位置

图5-4 可见光波中波长与颜色的关系

1.平面偏光

平面偏光（直线偏光）是严格局限于包含光路的一个平面内振动的偏光，这个面称之为振动面，因为对着光线传播方向看去其振动的轨迹成一直线，所以也叫做直线偏光。

平面偏光可由几种方法产生。它可由吸收作用和双折射作用产生，也可由反射作用等产生。

在反光显微镜下观察矿物时，是以平面偏光投射至矿物磨光面的。如果所观测之矿物为一均质矿物，当以平面偏光垂直入射矿物光面，则反射后仍为一平面偏光且不发生振动方向的改变。若观测矿物为非均质透明矿物，入射条件与上述相同，而且矿物截面主反射率方向处于非0°或90°及其整数倍的位置时，从矿物光面反射的光除振动面有所旋转外，仍为一平面偏光。

2.椭圆偏光和圆偏光

如果两同频率的平面偏光沿同一光路互相垂直振动，所产生的合成光波可能有三种情况。

第一种情况：两同频率互相垂直的直线振动，如相差为0°或180°及其整数倍时，也即合成为一平面偏光（图5-5）。此为一特殊情况。

若两光波的振幅相等时，则合成的直线（z）振动将与其分波（x与y）振动成45°。如果两光波的振幅不等，如图5-5所示，则合成的直线振动方向将偏向振幅较大的（x）一侧。

第二种情况：若两同频率互相垂直的直线振动，其相差不等于0°、180°或180°的整数倍时，即合成各种不同椭圆度的椭圆偏光。如图5-6所示两个互相垂直、同频率不等振幅、相差为＋45°的直线振动合成的左旋椭圆振动，即光线质点沿光路运动的轨迹则是一个椭圆。椭圆长轴a的方位角是分波振幅及光波之间相差的函数。在两分波振幅不等的情况下，椭圆长轴a偏向于振幅较大的一侧（图5-6）。若相差为－45°的情况下其合成为一右旋椭圆振动。以平面偏光入射时，由矿物光面反射后可能形成椭圆振动（椭圆偏光）的条件有下述几种：

图5-5 两个互相垂直，相差为0°同频率不等振幅的直线振动x和y，合成直线振动z

（据卡梅伦1961）

图5-6 两个互相垂直、同频率、不等振幅。 相差为45°的直线振动x和y合成为一左旋椭圆振动z

（据卡梅伦，1961）

一为以平面偏光垂直入射于非均质不透明矿物光面的反射；二为平面偏光斜射于非均质不透明矿物光面的反射；三为在某种情况下，平面偏光斜射于强吸收性均质矿物光面的反射后，也形成椭圆振动。

第三种情况：当两光波的振幅相等、同频率、其相差为90°或90°的奇数倍时，两个互相垂直的直线振动的叠加，则合成为一圆振动，如图5-7所示。此种圆振动的产生是第二种情况中在特定条件（振幅相等、相差为± 90°）下，出现的一种特殊情况。如果只有相差为± 90°，而振幅不等两互相垂直的直线振动，合成时仍为一椭圆振动，而不会出现圆振动。

图5-7 两个互相垂直、同频率、等振幅、相差为±90°的直线振动x和y的叠加，合成为一左旋圆周振动

（据卡梅伦1961）

圆振动（圆偏光）在矿物光面对入射平面偏光反射中，出现的机会是不多的。如平面偏光垂直入射于斜方晶系不透明矿物垂直于圆偏光轴的切面，其反射光为圆偏光。

综上所述不难理解，实际上圆偏光和直线偏光是椭圆偏光的极限状况。

在以平面偏光入射的条件下，从矿物光面反射上来的是直线偏光、椭圆偏光还是圆偏光，通过转动分析镜的方法即可加以鉴别。若为直线偏光，当转动分析镜，其振动面与反射光波的振动面垂直时，光线将完全消失，即出现“全消光”。如果为椭圆偏光，则转动分析镜至任何位置，也不能出现真正完全消光的现象，而只有明暗之分，如分析镜的振动面垂直于振动椭圆的长轴（即//短轴）时，所见光线的强度最小（相对最暗），当分析镜的振动面垂直于振动椭圆的短轴（即//长轴）时，所见光强最大（相对最亮）。若为圆偏光，当转动分析镜至任何位置时，其明暗程度不变。