《晶体光学》课程中矿片45°位置分析的教学方法研究

陈淑静 刘金刚

摘要：《晶体光学》是地质学、地球化学、资源勘查工程等专业的主干课程之一，利用偏光显微镜鉴定法鉴定透明矿物和岩石是地质专业所必须掌握的技能。文章分别利用光振幅矢量分解、偏振光的干涉以及半波片的特性等方法详细分析了矿片在45°位置时视域最亮的原因，以便学生更好的理解偏光显微镜下矿片的光学现象。

关键词：《晶体光学》；偏光显微镜；干涉

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）29-0179-02

一、引言

《晶体光学》是研究、鉴定透明矿物和岩石的重要方法，在矿物学和岩石学以及冶金、建材、化工、陶瓷等领域应用广泛。晶体光学实验分为单偏光镜、正交偏光镜以及锥光镜下晶体的光学性质等内容，其中正交偏光镜同时使用上、下偏光镜，并且上、下偏光镜振动方向相互垂直。将矿物或岩石磨制成0.03毫米的薄片后放置在镜下观察，根据正交偏光镜下矿片光率体椭圆半径和上、下偏光镜的相对位置，可以观察到消光和干涉现象，将非均质体矿片放置在正交偏光镜下，当其光率体椭圆半径与上、下偏光镜振动方向斜交时产生干涉作用，视野中产生干涉色，矿片最亮时所处的位置称为45°位置。通常教材中采用平行四边形法说明矿片在45°位置时视域最亮，但是此方法较为抽象。本文从光学的角度出发，探索在教学过程中，利用光振幅矢量分解、偏振光的干涉以及半波片的特性等方法解释矿片45°位置时，矿片最明亮即干涉光强最强的原因，从而提高学生对正交偏光显微镜下矿片晶体光学性质测试方法的理解和运用能力。

二、矿片45°位置理论分析方法

（一）光振幅矢量分解法

将非均质体非垂直光轴的矿片放置在正交偏光镜间，矿片光率体椭圆长半径与下偏光镜透振方向（pp方向）的夹角为α，如图1所示。由下偏光镜透出的单色光，振动方向与pp方向平行，设其光振幅为OB，进入矿片后发生双折射。将光振幅OB分别沿矿片光率体椭圆半径方向分解，得到OC和OD，OC=OBcosα，OD=OBsinα。只有振动方向与上偏光镜方向（AA方向）平行的光才可以通过，因此两束双折射光通过上偏光镜时沿AA方向进行分解，分别得到OE=OCsinα，OF=ODcosα。

（三）半波片的特性

波片是能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差（或相位差）的光学器件。通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶体做成，其光轴与晶体表面平行，即在晶体内发生双折射的两束光沿同一方向传播。如果波片的厚度使两束光的光程差为半波长的奇数倍，则这种波片称为半波片。半波片一般具有这样的特性，即：线偏振光垂直入射到半波片透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为α，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2α角。若矿片切面方向满足矿片光轴与矿片表面平行，且单色光通过时发生双折射的两束光光程差正好为单色光半波长的奇数倍，则可将此矿片视为一个半波片。根据半波片的特性，若使透过上偏光镜的光强最强，则入射的线偏振光的振动面即下偏光镜pp方向需与上偏光镜方向夹角90°为2α角，即下偏光镜pp方向与矿片光率体半径之间的夹角α为45°。

三、结语

本文分别利用光振幅分解法、偏振光的干涉法以及半波片的特性等三种理论方法，详细分析解释了矿片光率体椭圆半径与上、下偏光镜夹角为45°時，透射光的光强最强，即视域最亮。本文中三种教学分析方法的讲述不仅可以加深学生对正交偏光显微镜下所观察现象的理解，并且可以提高学生熟练掌握正交偏光显微镜下鉴定矿片方法的能力。

参考文献：

[1]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]李德惠.晶体光学[M].北京：地质出版社，1997.