《晶體光學》課程中礦片45°位置分析的教學方法研究

陳淑靜 劉金剛

摘要：《晶體光學》是地質學、地球化學、資源勘查工程等專業的主干課程之一，利用偏光顯微鏡鑒定法鑒定透明礦物和巖石是地質專業所必須掌握的技能。文章分別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詳細分析了礦片在45°位置時視域最亮的原因，以便學生更好的理解偏光顯微鏡下礦片的光學現象。

關鍵詞：《晶體光學》；偏光顯微鏡；干涉

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）29-0179-02

一、引言

《晶體光學》是研究、鑒定透明礦物和巖石的重要方法，在礦物學和巖石學以及冶金、建材、化工、陶瓷等領域應用廣泛。晶體光學實驗分為單偏光鏡、正交偏光鏡以及錐光鏡下晶體的光學性質等內容，其中正交偏光鏡同時使用上、下偏光鏡，并且上、下偏光鏡振動方向相互垂直。將礦物或巖石磨制成0.03毫米的薄片后放置在鏡下觀察，根據正交偏光鏡下礦片光率體橢圓半徑和上、下偏光鏡的相對位置，可以觀察到消光和干涉現象，將非均質體礦片放置在正交偏光鏡下，當其光率體橢圓半徑與上、下偏光鏡振動方向斜交時產生干涉作用，視野中產生干涉色，礦片最亮時所處的位置稱為45°位置。通常教材中采用平行四邊形法說明礦片在45°位置時視域最亮，但是此方法較為抽象。本文從光學的角度出發，探索在教學過程中，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釋礦片45°位置時，礦片最明亮即干涉光強最強的原因，從而提高學生對正交偏光顯微鏡下礦片晶體光學性質測試方法的理解和運用能力。

二、礦片45°位置理論分析方法

（一）光振幅矢量分解法

將非均質體非垂直光軸的礦片放置在正交偏光鏡間，礦片光率體橢圓長半徑與下偏光鏡透振方向（pp方向）的夾角為α，如圖1所示。由下偏光鏡透出的單色光，振動方向與pp方向平行，設其光振幅為OB，進入礦片后發生雙折射。將光振幅OB分別沿礦片光率體橢圓半徑方向分解，得到OC和OD，OC=OBcosα，OD=OBsinα。只有振動方向與上偏光鏡方向（AA方向）平行的光才可以通過，因此兩束雙折射光通過上偏光鏡時沿AA方向進行分解，分別得到OE=OCsinα，OF=ODcosα。

（三）半波片的特性

波片是能使互相垂直的兩光振動間產生附加光程差（或相位差）的光學器件。通常由具有精確厚度的石英、方解石或云母等雙折射晶體做成，其光軸與晶體表面平行，即在晶體內發生雙折射的兩束光沿同一方向傳播。如果波片的厚度使兩束光的光程差為半波長的奇數倍，則這種波片稱為半波片。半波片一般具有這樣的特性，即：線偏振光垂直入射到半波片透射光仍為線偏振光，假如入射時振動面和晶體主截面之間的夾角為α，則透射出來的線偏振光的振動面從原來的方位轉過2α角。若礦片切面方向滿足礦片光軸與礦片表面平行，且單色光通過時發生雙折射的兩束光光程差正好為單色光半波長的奇數倍，則可將此礦片視為一個半波片。根據半波片的特性，若使透過上偏光鏡的光強最強，則入射的線偏振光的振動面即下偏光鏡pp方向需與上偏光鏡方向夾角90°為2α角，即下偏光鏡pp方向與礦片光率體半徑之間的夾角α為45°。

三、結語

本文分別利用光振幅分解法、偏振光的干涉法以及半波片的特性等三種理論方法，詳細分析解釋了礦片光率體橢圓半徑與上、下偏光鏡夾角為45°時，透射光的光強最強，即視域最亮。本文中三種教學分析方法的講述不僅可以加深學生對正交偏光顯微鏡下所觀察現象的理解，并且可以提高學生熟練掌握正交偏光顯微鏡下鑒定礦片方法的能力。

參考文獻：

[1]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]李德惠.晶體光學[M].北京：地質出版社，1997.