宝石的光学特性对其晶体结构内的成分和应变的微小变化非常敏感。因此，准确测量它们对于识别和区分一种宝石种类或品种与另一种非常有用。本文北京圣园淘矿工场科普将介绍宝石光学的基本术语和概念。

        宝石光学

        光的波长

        光以波浪的形式传播，就像池塘上的涟漪。这构成了水晶和宝石光学的基础。这种波的连续波峰或波谷之间的距离称为波长，波的振幅是波在中值（波峰和波谷之间的中间位置）上方的高度。

        用熟悉的术语来说，不同的波长是不同的颜色，振幅是光的强度。光与其运动方向成直角振动，振动发生在垂直于光路的所有方向。

        折光率

        当光从一种介质（如空气）进入另一种介质（如水）时，它实际上会变慢。此外，光路弯曲。偏差总是指垂直于两种介质界面的一条线，称为界面法线。在光传播较慢的介质中，光总是向法线弯曲。

        折射率或折射率 等于光在两种介质中的速度之比。第一种介质，通常是空气，设置统一光速 (1)。然后折射率变为 1/ v，其中v是密度较大的介质中的光速。

        折射率，通常缩写为n， 也经常用入射光束或入射光线与折射光束（在密度较大的介质中传播）形成的法线的角度来描述。在北京圣园淘矿工场科普举例的这些术语中，折射率等于入射角的正弦除以折射角的正弦。

        临界角

        光从给定的介质传播到密度较小的介质——例如，从晶体进入空气——可能以这样的角度撞击界面，在界面处，光完全反射回密度较大的介质。发生这种情况的入射角称为临界角。

        这个角度对于宝石切割具有重要意义。如果刻面以与其折射率不匹配的角度切割宝石，进入宝石的光线可能会“泄漏”底部。这会导致失去光彩。然而，如果石头底部的角度正确，光线会在内部全反射并返回观察者的眼睛。这创造了最令人愉悦的光彩。事实上，宝石切割师精确地对宝石进行刻面，以创造这种美妙的光线回归。

        各向同性晶体

        宝石的晶体对称性决定了它们的光学特性。例如，等距晶体具有在所有方向上高度对称的晶体结构。由于这种对称性，在等距晶体内沿任何方向传播的光以相同的速度传播。在材料中，没有一个方向可以明显减慢光线。（对于没有晶体结构的无定形材料，如玻璃，也是如此）。此类材料称为各向同性材料，以单一折射率为特征，缩写为N。 

        各向异性晶体

        在所有其他非等距晶体中，光分为两种成分——两种偏振光线，称为普通光线和非常光线。 所有非等距晶体都会导致入射光的这种分裂，称为各向异性。

        偏振光

        每条偏振光线都在一个平面内振动，而不是在垂直于光传播方向的所有方向上振动。

        以其发明者威廉·尼科尔( William Nicol) 的名字命名，尼科尔棱镜可以证明偏振光的存在。它包含经过特殊切割的方解石碎片，仅允许在单个平面中偏振的光通过。如果将两个尼科尔棱镜排成一列，并将它们的偏振方向相互成直角，则根本不会有光通过。

        类似地，宝石学家可以使用一个相当的装置，诸如偏光镜或偏振显微镜，以测试对于已经通过一个晶体样本或宝石行进的光的偏振方向。通常，矿物学家使用偏光显微镜来检查微小的矿物颗粒，而不是宝石。北京圣园淘矿工场科普更喜欢使用更大的偏光装置，通常是 1-3 寸直径的偏光塑料圆盘，安装在偏光镜中。

        单轴晶体

        四方和六方系统中的各向异性晶体具有独特的晶轴，它比晶体中的其他两个轴长或短。在平行于该轴的方向上传播的光在其他两个轴的平面中振动。由于其他两个轴是等效的，因此这种振动是均匀的，类似于各向同性晶体中的光振动。

        如果将一对尼科尔棱镜与在四方或六方晶体中沿该特殊方向传播的光对齐，并且如果棱镜旋转使偏振方向交叉（垂直），则不会看到从晶体中发出的光。由于四方和六方晶体中存在这种独特的光学方向，因此在这些晶体系统中结晶的宝石被称为单轴。

        双轴晶体

        所有其他系统中的各向异性晶体包含两个方向，其中光垂直于传播方向均匀振动。因此，斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系中的晶体称为双轴晶体。对这种晶体中光行为的完整描述非常复杂。

        单轴晶体中的双折射

        在单轴晶体中，沿光轴传播并在与该方向成直角的平面内等量振动的光线是普通光线。另一条在包含独特晶轴方向的平面内振动的光线是非常光。这些光线（方向）的折射率——指定为o（普通）和e（非凡）——是单轴宝石的基本光学参数。

        如果o射线在晶体中的速度大于e射线，则晶体被称为正(+)。如果e射线具有更大的速度，则晶体被称为负(-)。

        单轴晶体中的双折射等于o和e的折射率之差。

        双轴晶体中的双折射

        双轴晶体具有三个不同的晶轴。它们在晶体内也有两个独特的方向，类似于单轴晶体中的独特光轴。希腊字母α (alpha)、β (beta) 和γ (gamma) 表示双轴晶体的折射率。

        Alpha，最低指数，是指晶体中称为 X 的方向，在晶体内具有最快的光速。Beta，中间指数，对应于 Y 晶体学方向，代表中间射线速度。Gamma 是最高的折射率，对应于 Z 晶体学方向并且具有最慢的射线速度。

        双轴晶体中的双折射等于 alpha 和 gamma 指数之间的差值。

        矿物学家发现晶体内两个光轴之间的锐角，指定为 2 V，这是一个有用的参数。事实证明，如果 beta 指数正好介于 alpha 和 gamma 之间，则 2 V角正好是 90°。

        最后，如果 beta 的值比 alpha 更接近 gamma，则晶体被称为光学负值。如果 beta 的值更接近于 alpha 的值，则晶体被称为光学正值。

        折射率和双折射都是表征和识别晶体的有用参数。两者都随着成分和杂质的存在而变化，它们甚至可能在单晶内发生变化。

        分散

        永远记住，折射率基本上是相对光速的量度。每个波长的光以不同的速度穿过给定的介质（空气除外）。因此，每个波长都有自己的折射率。折射率随波长变化的差异称为色散。

        色散使宝石闪耀着色彩。例如，在钻石中，红光和蓝光的折射率差异非常大。这就是他们闪耀的原因。当光线穿过切割的宝石时，各种波长（颜色）会发散。当光线最终从石头中射出时，光谱中的各种颜色部分已经完全分离。

        科学家报告色散是一个无量纲的数字，这意味着它没有度量单位。然而，在选择用作参考点的波长时存在一定程度的选择。通常，宝石学家将宝石的色散视为 Fraunhofer B 和 G 线之间折射率的差异。弗劳恩霍夫谱线是在太阳光谱中观察到的谱线，分别为 6870 和 4308 Å。

        具有弗劳恩霍夫谱线的太阳光谱在视觉上呈现。

        一埃 (Å) 等于一米的十亿分之一，科学家们用它来测量光波长。他们还使用纳米 (nm)、十亿分之一米或 10 Å。

        哈特曼色散网

        在某些情况下，宝石学文献中不存在宝石的色散信息。然而，矿物学文献可能有在某些不同波长（不包括 B 和 G 波长）下测量的折射率数据。在这种情况下，北京圣园淘矿工场科普可以使用一种称为哈特曼色散网的特殊方格纸来计算色散。在这张对数类型的纸上，可以绘制覆盖整个有用范围的特定波长处的折射率。宝石学家可以将这种线性图外推到 B 和 G 线的位置。

        不透明或半透明材料的折射率

        在某些情况下，与不透明或半透明材料一样，单独的折光仪无法准确测量折光率。相反，该仪器仅给出一条代表材料平均指数的模糊线。尽管如此，这个数字仍然表明宝石学家可能希望在常规检查中发现什么。

        使用单一波长测量折射率

        折射计可同时有效地测量所有折射率（所有光波长）。宝石学家可以通过只选择一个波长来进行更准确的测量。通常，他们选择称为D的光谱（黄色）线，它表征钠的发射光谱。

        多色性

        晶体在不同方向通过时可能会吸收不同的光。有时，差异仅在于吸收程度或强度。然而，在其他情况下，透射光的不同波长部分在不同方向上的吸收会产生颜色。这种现象被称为多色性。

        在单轴材料的情况下，由于它们只有两个不同的光学方向，宝石学家将这种现象称为二色性。其他非各向同性材料具有三个不同的光学方向，因此它们可能表现出三色性。 

        多向色有时显得非常清晰和强烈。这可以使它们用于宝石鉴定。

        异常颜色

        由于各向同性宝石不会根据其传播方向不同地影响通过它们的光的速度或特性，因此这些材料从不显示多向色性。然而，北京圣园淘矿工场科普发现，有时，各向同性材料可能会在偏振光下显示异常颜色。一般来说，这些影响归因于晶体应变，尽管大量证据表明特定晶体位点上原子的有序排列是一个更可能的原因。