偏光图的形成原理

偏光原理，是怎样的原理~

偏光镜原理解释

一、反射旋转的基本概念

入射光线通过高倍物镜时，被聚敛成圆锥形光束，除中心部分光线为垂直入射外，其他部位为各种角度的斜射光。从物理光学定义中可知，入射光与反射光所组成的面称为入射面，入射面与光面垂直的线称为入射法线，入射光与法线所夹之角称为入射角，反射光与法线之间的夹角叫反射角，入射角应等于反射角。

垂直入射于均质物体表面（均质矿物光面）上的平面偏光，反射时不发生振动方向的变化。但以平面偏光倾斜入射时，其反射光将产生两种现象：一为反射光振动面的旋转，简称“反射旋转”，即反射光的振动面将与入射光的振动面在方向上不一致，二为反射光因产生非为0和π的周相差而发生椭圆偏化，形成反射椭圆偏光。

图6-1 平面偏光斜射于均质物体（矿物）在视域各象限中对入射平面偏光的反射情况

（据邱柱国，1982）

Ⅰ、Ⅲ象限作顺时针方向旋转，Ⅱ、Ⅳ象限作逆时针方向旋转。∠I′OE为反射旋转角R_rβ

透过高倍物镜的平面偏光，其入射光线被聚敛成一圆锥形光束于矿物光面上时，可有三种不同的入射面：一为入射面与入射偏光振动面平行，二为入射面与偏光振动面垂直，三为入射面与偏光振动面斜交（可有各种方位角）。一、二两种反射光不发生偏光振动面的旋转，第三种反射光将发生偏光振动面的旋转，同时，吸收性较强的金属矿物光面的反射光，将由于产生非为0和π的周相差而形成椭圆偏光。“反射旋转”的机制如图6-1所示。PP代表前偏光的振动方向，AA代表上偏光的振动方向，XX和X′X′为入射面（代表第三种情况），I为入（透）射偏光。入射偏光分解为平行入射面I_∥和垂直入射面I_⊥两部分。此两部分经反射后成E_∥与E_⊥，其振幅为OE_∥和OE_⊥，而与OI_∥及OI_⊥的比例不一致，OE_⊥皆大于OE_∥。因此合成的反射光OE的方位不同于入射光 OI，即形成了偏光振动面的旋转（反射旋转）。反射合成振幅OE和反射旋转角R _rβ的大小，与入射角成正比关系，即前二者均随入射角增大而增大，所以自视域中心向边缘逐渐增大，而且OE及R _rβ也与入射面的方位角有关，即由十字线向45°位，其“反射旋转”逐渐增强（R _rβ变大）。因为OE_⊥总比OE_∥大，所以其反射旋转在四个象限中呈对称分布（图6-1）。必须指出的是，OE和R_rβ也当与矿物本身的属性密切相关。

如果反射物体为吸收性不透明矿物，由于E_∥与E_⊥二者之间有非为0和π的周相差，所合成的反射光必为椭圆振动（椭圆偏光）。其椭圆的性质与入射偏光的波长、入射方位角、入射角及矿物的属性有关。椭圆长轴的反射视旋转方向，在视域四个象限中与反射旋转情况雷同，即反射椭圆长轴与入射平面振动之间的夹角和反射视旋转角R_r呈对称分布。

二、均质矿物偏光图

在正交偏光下用高倍物镜（＞40 倍）观察均质不透明矿物时，由于物镜的聚敛作用，使入射平面偏光除中心一束光为垂直矿物光面外，视域内几乎全为斜射光。所以在正交偏光下，可见与一轴晶底切面之干涉图相似的图像（图6-2），即主要部分为一“黑十字”形消光带，四象限为明亮部分。此图像则称之为“偏光图”，它系由“反射旋转”作用而成。由图6-2可看出前偏光镜为东西向（PP）。在PP线上入射光振动面与入射面平行，在AA线上的振动面与入射面垂直，因而反射光振动方向不发生旋转。如图中“黑十字”位上双箭形线所示，当到达上偏光镜AA时，这部分光线完全被截住而不能通过上偏光镜，故形成“黑十字”。“黑十字”以外四象限范围的入射光，其任意一点上的入射面均与偏光振动面斜交，当其反射时，反射偏光的振动面就发生不同程度地旋转。图中四象限中短实线表示各点反射偏光振动面方位，由于入射光线离视域中心愈远斜度愈大，即入射角愈大，愈远离视域中心和十字线，其反射旋转角也愈大。因此，透过上偏光镜的光线也就愈多，所以其明亮程度也相应愈大。“黑十字”的图像在将上偏光镜从正交位置稍转一角度后，即分解呈双曲线形（图6-3）。双曲线的位置恰是矿物光面上的某些点，经反射旋转的振动面与转动后的上偏光振动面相垂直。因此当旋转上偏光至A′A′时二、四象限内出现双曲线，若顺时针方向旋转上偏光镜时，即在一、三象限出现。当入射光为白光时，转动上偏光镜后可见到两类不同色型的图像。第一类以蓝辉铜矿为例，它的图像中双曲线凹面与凸面出现红和蓝的色边（图6-4）。凸面出现蓝色，说明红光反射旋转角较蓝光为大，因在此红光的振动方向恰于上偏光镜垂直而消失，而蓝光的旋转角小，与上偏光镜未达到垂直，所以可透过上偏光镜呈蓝色边。凹面较凸面离视域中心远，其入射角均相应增大，所以在此蓝光已达到与上偏光镜垂直的程度，故消失，但红光的旋转，已超过与上偏光镜垂直的程度，可有部分光量透过分析镜，故凹面显红色。上述现象，是由于反射旋转量因不同波长而造成的，故称之为反射旋转色散DR _r。如蓝辉铜矿的色散以DR_r＝红＞蓝（r＞v）（图6-4）表示。相反的色边则表示DR_r ＝蓝＞红（v＞r），如黄铁矿就是（图6-5B）。

图6-2 均质矿物黑十字偏光图的形成

图6-3 转动上偏光镜从AA 至A′A′位置时均质矿物“黑十字”偏光图变成双曲线形

图6-4 当转动上偏光镜时，双曲线消光带色边与红、蓝光振动方向的关系

图6-5 转动上偏光镜后自然金（A）与黄铁矿（B）的偏光图

第二类色型图像的特点是双曲线边界模糊不清，而且双曲线中段与视域中心连成一片或具相同的色调，如自然金为橙黄色。这类图像是由于强吸收性矿物反射时形成大椭圆度（强）的椭圆偏光所致，因此也形不成真正的“消光带”。如金、银、铜等自然金属矿物的图像皆属此类（图6-5A）。这种色散称之为反射椭圆色散，以符号DE表示。

不论是反射旋转色散DR_r 还是椭圆色散DE，它们不仅与光波、入射偏光的入射角，方位角有关，更主要与矿物本身的属性（N与K等）密切相关，所以也是矿物光性特征之一，有助于矿物的鉴定。

有关常见均质矿物偏光图情况见表6-1。

表6-1 常见均质矿物偏光图

∗表示编者所测。凹边）凸边。

三、非均质矿物偏光图

图6-6 非均质矿物45°位置时的双曲线偏光图

非均质矿物的偏光图，在矿物处于消光时（即一个截面主反射率平行或垂直入射偏光振动面时），其图像与均质矿物相同，即为一“黑十字”，转动上偏光镜也分解成双曲线。因矿物在消光位时不发生非均质旋转效应（前章已述），所以只有反射旋转起作用。但当转动物台使矿物从消光位向45°位旋转时，“黑十字”将分解成双曲线形消光带，当矿物处于45°时，其双曲线分离度最大（图6-6）。而旋转物台一周出现四次“黑十字”、四次“双曲线”，因为非均质矿物除处于“消光位”外，都有非均质旋转效应叠加于反射旋转作用之中，因此在正交偏光下转动物台也形成双曲线。其机理如图6-6所示：矿物处于45°位置，I代表入射光振动方位，R₁ 代表矿物四象限反射旋转的方位，十字线上之双箭线代表矿物非均质反射旋转，二者之和振动以R₂ 表示，在Ⅱ、Ⅳ象限双曲线位置因两个旋转相抵而恰与起偏镜PP平行，因此不能通过与之正交的上偏光镜，故呈双曲线形消光带，在Ⅰ、Ⅲ象限内因二者为同向旋转而增加，则增强了其旋转量，故一部分光线可通过上偏光镜，所以呈明亮区。

从图6-6中还可以看出：小圆X上的点就是矿物在45°位时“消光带”之顶点，OS为东西直径（PP）与45°对角线之间的另一条对角线，现对OS与X圆的交点上的旋转情况作一分析，在该点上反射旋转角比B点小，因此，在OS线上，反射旋转等于非均质旋转的点皆位于X圆之外；所以，更为靠近东西直径的其他半径上的补偿点（相抵点），将逐渐向外远离 X圆，在整个象限中，这些点汇聚起来就形成了双曲线型消光带。

虽然非均质矿物在45°位时，其偏光图是由非均质旋转和反射旋转叠加而成；但视域中心及“十字线”位置，在反射聚敛偏光下不产生反射旋转效应，而只有非均质旋转起作用。故矿物在此位置（45°位）时，将上偏光镜转到使“双曲线”变为“黑十字”之角度即为非均质旋转角（A_rβ）或非均质视旋转角（A_r）。此外，非均质矿物在45°位时，其两双曲线之间的距离也代表非均质旋转角的大小，而以视域直径的百分数表示之。

若用单色光照明，观察非均质矿物在45°位置的偏光图时，仅看到不同“黑度”的双曲线形消光带。然而在白光中观察时，许多矿物将出现色边。色边产生于以下三种情况：①矿物处于消光位时，转动分析镜所形成之双曲线消光带；②在正交偏光下旋转物台而形成之双曲线消光带；③两项操作兼之进行。但就其成因及颜色效应则取决于两种色散，即反射旋转色散DR _r（已于均质矿物偏光图中叙述过）与由矿物非均质性引起的非均质视旋转角色散（或非均质旋转色散）DA_r。在观察非均质视旋转角色散时因夹有反射旋转色散效应，而不能将这两种色散完全分开，故只能称其为综合（联合）色散D（A_r ＋R_r），所以仅可作为定性地分析，以助其鉴定矿物。

由于非均质矿物偏光图的色散现象的复杂关系，尚不能作出全面的解释，所以下面作一定性且带有部分经验性的说明。

依上述两种色散相互叠加的关系，可出现四种情况。第一种，即最简单的情况，以铜蓝的偏光图像为例。在正交偏光下将铜蓝平行或斜交c轴的切面转动物台使之处于消光位后，即出现一“十字”形图像。然后转动上偏光镜，消光带分解成双曲线形，于西北和东南象限内。在每一消光带的凹侧呈现强烈的红色，凸侧和附近区域呈清晰的蓝绿色（图6-7a第一部分）。将分析镜转回正交位置后，转动物台45°，使之西北和东南两对象限内再次出现双曲线形，在双曲线带两侧也呈现明显的色边，然而凹侧为蓝色，凸侧至近视域中心为鲜明的橙红色（图6-7a第二部分）。

解释：图的第一部分，表示矿物处于消光位时，转动上偏光镜由“十字”形图像分解为双曲线形图像后，消光带两侧的光学关系，因仅由反射旋转色散造成，所以和均质矿物色散边形成原理相同。即沿红色边蓝光消失，故蓝光振动方向必然垂直于上偏光镜振动面（AA）；同理，沿蓝色边红光消失，所以红光的振动方向必然垂直于上偏光镜振动面。图的第二部分，当上偏光镜转回正交位置后转动物台45°，在此位置上矿物引起的非均质性旋转为顺时针方向。红边RO表示在该点经反射旋转后红光的振动方向，假如由矿物非均质性引起的反向旋转恰等于反射旋转，则红光的振动方向呈东西向而消失，但凸边所见为红光，故说明非均质旋转对红光效应较强，大于反射旋转的效应而不能相抵，即两种旋转相叠后，红光的振动方向OR₁ 必在东西向之右边，而在该点上蓝光消失。这表明由反射作用引起的蓝光旋转被矿物非均质性旋转补偿，因此振动方向由OB 转到OB₁（东西向）。在凹边一侧，因反射旋转角向外逐渐增大，其增大程度恰与红光的非均质性旋转相等，但因旋转方向相反而补偿，所以凹侧为蓝色边。综上所述及图6-7a所示，表明矿物的非均质视旋转角色散DA_r 为红大于蓝（r＞v）。对于铜蓝DR_r 及DA_r 均为红＞蓝（r＞v）。若上述两种操作（两部分）中，色边的分布与上述情况都恰好相反，则DR_r 和DA_r均为蓝＞红（v＞r）。

图6-7 表示红和蓝光振动方位的旋转及其与非均质矿物偏光图的色边关系

各图的第一部分是矿物处于消光位，上偏光镜（AA为振动面）反时针偏转。各图的第二部分是上偏光镜AA与前偏光镜PP正交，矿物处于Ⅱ、Ⅳ象限45°位置，在此位置矿物非均质旋转为顺时针方向。OR、NR和OB、NB分别为O点和M点红光与蓝光经反射旋转后的振动方向；OR₁、NR₁ 和OB₁、NB₁ 分别表示红光和蓝光，叠加与之反方向的非均质旋转后的振动方向。红边用细点表示，蓝边用粗点表示

第二种可能出现的情况，如图6-7b所示。转动上偏光镜，第一部分消光带不出现色边，DR_r＝零。图中第二部分凹面蓝色，凸边红，则DA_r ＝r＞v；若色边相反，则DA_r ＝v＞r。第三种情况如图6-7c，第一部分可看出DR_r ＝r＞v；第二部分消光带无色边，其红、蓝光的反射旋转叠加非均质旋转的关系应为：

∠ROR₁ B₁ ＝ ∠ROB ＋∠BOR₁ B₁

由于在此点（O点）上红、蓝光的振动方向都垂直于上偏光镜，故消光带为黑色而不具色边。从图中可知在第一部分DR_r 为r＞v的前提下，等二部分DA_r 也必r＞v。若在第一部分色边相反，则DR_r与DA_r也皆为v＞r。

第四种情况如图6-7d所示。图中第一部分与前图相同，DR_r 为r＞v。但当分析镜转回正交位置，并使矿物处于45°位时，色边的分布与第一部分相同（凹边红凸边蓝）。仅当下式关系成立时，才能出现这种形式分布的色边，即

∠BOB₁ ＞ ∠ROR₁ －∠BOR

但在这种情况下，并不一定能判明红与蓝光视旋转角的相对色散强度，因为蓝光的视旋转角可以小于、等于或大于红光。只有当第一、二部分中色边的强度有明显差别时，才能推测其相对色散。假如第二部分比第一部分的色边弱，则DA_r ＝r＞v，若第一、二部分中色边强度相等，则DA_r＝O；倘第二部分的色边较第一部分强，则DA_r ＝v＞r。在图6-7d中色边的位置若全部相反，即DR_r＝v＞r时，则

。

如果不能从偏光图双曲线色边来判断测定非均质视旋转角色散时，则必须分别用红与蓝的单色光，对矿物的非均质视旋转角A_r进行定量测定后即可得DA_r的符号

。其方法见下节。

综上所述，对非均质矿物偏光图所观察之主要内容为：反射旋转色散DR _r 及强度；非均质视旋转角色散DA_r 及强度，非均质视旋转角A_r（对红、白、蓝等色光）和双曲线的分离度等。常见非均质矿物偏光图见表6-2。

表6-2 常见非均质矿物偏光图

续表

注：“））”表示综合色散凹凸两边的颜色。

偏光镜原理解释

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西固区17015689440： 为什么偏光眼镜能看见的图片,肉眼看不见,能做出来这样的图片吗? - ？
在彩复方： 不能,因为偏光眼睛所看的是偏振光图片,如果不用偏光镜看,就是模糊的图像.这样的图片和普通的图片本身没有区别,有区别的是它前面加了个偏光镜.

西固区17015689440： 请问偏光镜的原理是什么? - ？
在彩复方： 光由物体表面反射时已部分被偏振产生眩光.眩光的反面作用一增强亮度,减弱色彩饱和度,使物体轮廓变得模糊不清,使眼睛疲劳、不适.偏光眼镜片是根据光线的偏振原理制成,具有独特的优先消除眩光的功能,对驾驶者有特别功效,可改进视觉,增添架乘乐趣.偏光眼镜片优点:阳光照射在沙地、水面、雪地、路面上形成的反射眩光,常会造成眼睛不适及疲劳,偏光太阳镜片的偏光角度和弧度都依据精密光学原理设计.可将这些不规则的反射光线,进行有效地排列和滤除(如百叶窗的原理),光线被整理成同向光进入双眼,使周边景物看起来柔和而不刺眼.

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西固区17015689440： 透过正交偏光镜为什么可以看到矿物的干涉图像? - ？
在彩复方： 双折射宝石在上下偏光和锥形偏光共同作用下,由消光与干涉效应综合作用而产生的特殊图案,称为干涉图.其在偏光镜下所呈现的是由各色条带组成的图案.在偏光镜的上下偏光片之间加上一无应变干涉球或凸透镜即可将通过下偏光片的平面偏光变成锥形偏光. 白光在非均质体宝石中产生双折射,分解成两条振动方向互相垂直的偏振光,宝石相对于二者的折射率不一样,造成一定的光程差.锥光的作用是增加光在宝石中传播的光程,产生不同大小的光程差.在透过宝石之后会产生干涉,使白光中一部分波长的光加强,而另一部分的光减弱,这些经过干涉后的光,会产生各种颜色,称之为干涉色.干涉色的产生取决于宝石的双折射率和光程. 根据干涉图的形状可判断宝石的轴性.

西固区17015689440： 阐述产生圆偏振光和椭圆偏振光的原理 - -- - ？
在彩复方： 两个正交的偏振方向,如果相位差90度,且振幅相等就是圆偏光,要是同步就是线偏光,否则就是椭圆偏光.当然以上都是两个方向位相差一定的情况.

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