特殊光學(xué)效應(yīng)

1、寶石的特殊光學(xué)效應(yīng) 前幾節(jié)談到了光的折射、反射、干涉、衍射等作用，這些作用在寶石中引起了一些特殊的光學(xué)效應(yīng)，其中主要的光學(xué)效應(yīng)有貓眼效應(yīng)、星光效應(yīng)、變彩效應(yīng)、變色效應(yīng)等。一、貓眼效應(yīng)(一) 定義 在平行光線照射下，以弧面形切磨的某些珠寶玉石表面呈現(xiàn)的一條明亮光帶，該光帶隨樣品或光線的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)的現(xiàn)象，稱為貓眼效應(yīng)。(二) 貓眼效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理 產(chǎn)生貓眼效應(yīng)的條件：寶石內(nèi)必須具備一組密集、平行定向排列的纖維狀、針管狀或片狀包體或某些特殊的結(jié)構(gòu)(如固溶體出溶結(jié)構(gòu))；弧面形寶石的底平面應(yīng)與包體所在平面平行；弧面型寶石的高度與反射光焦點(diǎn)平面高度相一致，并要注意使亮線平行于寶石的長(zhǎng)軸。 貓眼效應(yīng)是由寶石及

2、寶石內(nèi)一組密集、平行定向排列的包體或定向結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光的折射和反射作用引起的。如圖 所示，S面為包含包體的NM，并垂直貓眼“眼線”的弧面形寶石的縱切面。來(lái)自光源的光線照到寶石上時(shí)將發(fā)生以下幾種情況。1)沿O 點(diǎn)入射的光線，即沿NM的法線入射的光線不發(fā)生折射而直接進(jìn)入寶石。2)沿a、b兩點(diǎn)的入射光發(fā)生分解，部分光被折射進(jìn)入寶石，遵循光從光疏進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)偏向法線方向折射的規(guī)律進(jìn)行折射。從a、b 兩點(diǎn)進(jìn)入寶石的折射光均靠向自身的法線方向，即造成靠向NM的法線OO的方向折射。3)從a、b 兩點(diǎn)進(jìn)入寶石的光在抵達(dá)包體NM 上的Ga、Gb 兩點(diǎn)時(shí)再發(fā)生分解，部分光被折射出NM面，另一部分光被反射再次抵達(dá)弧

3、面形寶石的表面。4)受弧面弧度的影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)由Ga 點(diǎn)到Gb 點(diǎn)的入射光的入射角是逐漸加大的。根據(jù)反射定律，反射角等于入射角，入射線、反射線及法線均處于同一平面內(nèi)，因此Gb、Ga兩點(diǎn)處的光反射角Gb>Ga，兩束反射光共處于S平面內(nèi)，并使得這兩束光相交于S平面內(nèi)的一點(diǎn)。5)以此類推，進(jìn)入弧面另一側(cè)a'、b'兩點(diǎn)的光線同樣經(jīng)反射并相交于一點(diǎn)。當(dāng)弧面形寶石的高度合適時(shí)，這四條反射光線可相交于弧面上一點(diǎn)。當(dāng)寶石內(nèi)平行排列的包體十分豐富時(shí)，由包體產(chǎn)生的反射光在弧面形寶石表面相交點(diǎn)的軌跡便形成了貓眼的眼線。(三) 弧面形寶石的高度與“眼線”寬度的關(guān)系 具有貓眼效應(yīng)的寶石，其“眼線”

4、出露的寬度和亮度受寶石自身折射率值及弧面形寶石的高度的影響。對(duì)于某一特定寶石來(lái)說(shuō)，其折射率值是固定的，從包體反射回來(lái)的反射光焦點(diǎn)平面的高度是一定的。 只有當(dāng)弧面形寶石的高度與反射光焦點(diǎn)平面的高度相一致時(shí)，寶石的“眼線”才能表現(xiàn)為一條窄而亮的光帶。當(dāng)弧面形寶石的高度低于反射光焦點(diǎn)平面時(shí)，寶石的“眼線”則表現(xiàn)為一條寬而稀疏的帶，光帶亮度降低。一般來(lái)講，寶石折射率越高，包體反射光的焦點(diǎn)平面越低，因此具有貓眼效應(yīng)的寶石，折射率較高者其弧面高度可以相對(duì)較低，而折射率較低的寶石其弧面高度要相對(duì)增高，這樣才能使貓眼效應(yīng)表現(xiàn)得更明顯。(四) “眼線”擺動(dòng)的原因 具有貓眼效應(yīng)的寶石，隨著寶石的擺動(dòng)或光源的擺動(dòng)，

5、“眼線”相應(yīng)擺動(dòng)，且“眼線”逆光源方向移動(dòng)。這是因?yàn)殡S著光源從寶石頂部向側(cè)面移動(dòng)時(shí)，相對(duì)法線來(lái)講，光線的入射角不斷加大，與此相伴隨的反射光角度也增大，反射光的焦點(diǎn)平面發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)所致。(五) 錯(cuò)誤的加工導(dǎo)致眼線不正的原因當(dāng)弧面形寶石的底面與包體所在乎面不一致而發(fā)生傾斜時(shí)，包體反射光的焦點(diǎn)平面向弧面形寶石的一側(cè)移動(dòng)。所以當(dāng)弧面形寶石水平放置時(shí)，“眼線”位置不在正中。 弧面形寶石的高度與“眼線”寬度的關(guān)系錯(cuò)誤的加工導(dǎo)致”眼線”不正的原因。 二、星光效應(yīng)(一) 定義 在平行光線照射下，以弧面形切磨的某些珠寶玉石表面呈現(xiàn)出兩條或兩條以上交叉亮線的現(xiàn)象，稱為星光效應(yīng)。每條亮帶稱為星線，通常多見(jiàn)二條、三條

6、和六條星線?？煞謩e稱其為四射(或十字)、六射星線或十二射星光。星光效應(yīng)多是由于內(nèi)部含有密集平行定向排列的兩組、三組或六組包體所致。(二) 星光產(chǎn)生的條件及形成機(jī)理 能產(chǎn)生星光的寶石須含有二組或二組以上定向排列的包體或定向排列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且弧面形寶石的底面與這些包體或結(jié)構(gòu)所在平面平行。星光效應(yīng)的形成機(jī)理與貓眼效應(yīng)形成的機(jī)理一樣；是寶石及寶石內(nèi)定向包體或結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光的折射和反射作用引起的。所不同的是，在星光效應(yīng)中包體或結(jié)構(gòu)已不限于在一個(gè)方向上，這些包體按一定的角度分布，星光效應(yīng)是幾組包體與光作用的綜合結(jié)果。紅寶石礦物名稱為剛玉，三方晶系，晶形呈六方柱狀，在垂直結(jié)晶軸Z 軸的平面內(nèi)常含有三組呈細(xì)針狀

7、的金紅石包體，相互之間以60。角相交。 將星光寶石中的星線分解來(lái)看，情況就會(huì)簡(jiǎn)單得多。從圖1-3-27 可知，每一條星線的形成機(jī)理與貓眼效應(yīng)中的眼線形成是一樣的，也就是說(shuō)，圖中每個(gè)方向的包體可以由折射、反射作用在弧面形寶石的表面形成一條亮的光帶，光帶的延伸方向與形成它的包體的排列方向垂直，即R1光帶是由r1方向包體產(chǎn)生的，同樣，R2方向的星線由r2方向的包體產(chǎn)生，R3方向的星線由r3 方向的包體產(chǎn)生。在紅寶石中，r1、r2、r3 三個(gè)方向的金紅石相互之間相交成60。角，因此在垂直軸的平面內(nèi)r1、r2、r3三個(gè)方向的金紅石的排列可以抽象成為一個(gè)等邊三角形的三個(gè)邊，而由它們形成的三條亮帶可以抽象成

8、為等邊三角形各邊的垂直等分線。根據(jù)三角形的垂直平分線定理，這三條亮帶必相交于一點(diǎn)，在切工完美的星光寶石中，此交點(diǎn)占據(jù)弧面形寶石的最高點(diǎn)，三條亮帶相交后，則成為由交點(diǎn)發(fā)出的六條星線，隨著光的轉(zhuǎn)動(dòng)，交點(diǎn)將作反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 產(chǎn)生十二射星光的原因是存在上述兩套星光組合，如我國(guó)山東雙重星光藍(lán)寶石，由兩組六射星光組成，兩組星光以30。角交叉，構(gòu)成十二射星光。當(dāng)兩組星光的顏色相同時(shí)，則光帶的強(qiáng)度可以相同或交替改變。兩組星光有時(shí)顏色不同，比較常見(jiàn)的組合有黃綠、黃棕、黃藍(lán)、藍(lán)綠等。三、變彩(一) 定義 寶石的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)光的干涉、衍射作用產(chǎn)生顏色，且顏色隨著光源或觀察角度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為變彩。(二) 變彩

9、的原理 變彩是由于光的干涉、衍射作用而引起的。根據(jù)楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)可知，來(lái)自光源的光沿箭頭方向入射時(shí)，在狹縫處形成一個(gè)點(diǎn)光源，以確保到達(dá)S1、S2兩個(gè)狹縫的光的性質(zhì)是完全相同的，當(dāng)性質(zhì)完全相同的光通過(guò)S1、S2二個(gè)狹縫(即楊氏雙縫)后，S1、S2便構(gòu)成一對(duì)相干光源，從S1、S2發(fā)出的光將在空間疊加。如果光源為單色光，兩個(gè)子波源的光在某個(gè)方向上的波程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍在空間相遇時(shí)便得到加強(qiáng)，在屏幕EE'上顯示亮的條紋：當(dāng)兩個(gè)子波源的光在某個(gè)方向上的波程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍在空間相遇時(shí)便相互消減，在屏幕EE'上顯示暗的條紋。如果光源為白色復(fù)合光，衍射和干涉的結(jié)果是白光中的單色光的條紋將按

10、波長(zhǎng)依次排開(kāi)，其中心為白光，最靠近白光的為紫色，依次為藍(lán)色、綠色，最遠(yuǎn)處為紅色，上下兩側(cè)對(duì)稱分布。 楊氏試驗(yàn)是一個(gè)一維光柵的點(diǎn)間干涉，在寶石中經(jīng)常遇到的則是二維空間的面干涉和三維空間的干涉情況，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。 (三) 歐泊變彩的特點(diǎn) 歐泊是典型的具有變彩效應(yīng)的寶石，其顏色及色斑變化特點(diǎn)歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)。1)一些灰白色的歐泊不出現(xiàn)色斑，僅顯示藍(lán)白色的乳光。2)一些歐泊僅在灰白色基底上顯示藍(lán)、綠色色斑，即僅顯示波長(zhǎng)較短的顏色的色斑。3)部分高檔歐泊在白或黑色的基底上顯示從紫到紅的可見(jiàn)光光譜中的全部顏色的色斑。4)色斑排列特點(diǎn)同一塊歐泊中不同顏色的色斑間雜分布，相鄰色斑的顏色并不依可見(jiàn)光光譜色

11、序排列。即紅色色斑可直接與綠色色斑相鄰，或在灰藍(lán)色的基底中分散著幾塊顏疤近于相同的紅色色斑。5)色斑顏色特點(diǎn)同一色斑中顏色并不十分均勻，在色斑的邊緣可出現(xiàn)按光譜色色序排列的相鄰顏色。如紅色色斑邊緣可依次出現(xiàn)橙色、黃色、綠色色帶。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)歐泊或轉(zhuǎn)動(dòng)光源時(shí)，同一色斑的顏色將依光譜色色序變化。如紅色色斑在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的加大，紅色色斑可依次向橙色、橙黃色方向變化。(四) 歐泊的變彩與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 歐泊的化學(xué)成分是SiO2·nH2O，在歐泊的結(jié)構(gòu)中二氧化硅為近于等大的球體在三維空間作規(guī)則排列。通常，任意一個(gè)二氧化硅小球周圍都有6 個(gè)八面體空隙和8個(gè)四面體空隙。八面體空隙大小介于04141倍

12、小球直徑之間。四面體空隙大小介于022505 倍小球直徑之間。這樣歐泊的結(jié)構(gòu)便形成了最典型的天然三維光柵，在此，二氧化硅小球體及球間空隙分別相當(dāng)于衍射單元和光柵常數(shù)。 歐泊的特殊結(jié)構(gòu)決定了其變彩能力和變彩特點(diǎn)。小球的直徑、球體間隙的距離及觀察角度直接決定了歐泊中色斑的顏色。從布拉格公式(n1入=2Ndsin)中得知，當(dāng)光線垂直入射時(shí)，為90。，即sin=1，當(dāng)n1=1時(shí)，則有入=2n2d，已知n2=145，那么d=入29。因白色可見(jiàn)光入處在700400nm范圍內(nèi)，那么可產(chǎn)生衍射條件的間隙直徑應(yīng)在從d=700÷29=241nm到d=400÷29=138nm之間。若：球體間隙距

13、離在138241nm之間時(shí)，可允許白光中所有波長(zhǎng)的單色光通過(guò)，形成七彩歐泊；球體間隙距離在138204nm之間時(shí)，只允許紫至黃的五種光譜色的光通過(guò)，形成五彩歐泊；球體間隙距離在138176nm之間時(shí)，只允許紫至藍(lán)綠的三種光譜色的光通過(guò)，形成三彩歐泊；球體間隙距離在138165nm之間時(shí)，只允許紫、藍(lán)光通過(guò)，形成二彩或單彩歐泊。 研究表明，天然歐泊中二氧化硅小球體的堆積不是完全均一的。產(chǎn)生衍射的均勻堆積球體僅存在于大于lmm至小于lcm的小塊區(qū)域內(nèi)。每一個(gè)均一的小塊區(qū)域構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的三維衍射光柵，該小光柵對(duì)允許可見(jiàn)光通過(guò)的能力及衍射作用決定了與該光柵相對(duì)應(yīng)的色斑大小及顏色特征。這從某個(gè)角度解釋了歐泊中相鄰色斑的顏色并不遵循可見(jiàn)光光譜色序排列的原因。每個(gè)色斑邊緣出現(xiàn)相鄰顏色色環(huán)的原因與轉(zhuǎn)動(dòng)歐泊時(shí)色斑顏色依可見(jiàn)光光譜色序發(fā)生變化的原因是一樣的，其根本原因在于觀察角度發(fā)生了變化，隨著歐泊的轉(zhuǎn)動(dòng)，即觀察角度的變化，人們看到的是該小光柵中衍射圖譜中的另一個(gè)顏色，即與另一衍射角g相對(duì)應(yīng)的顏色。四、變色效應(yīng) 寶石礦物的顏色隨入射光光譜能量分布或入射光波長(zhǎng)的改變而改變的現(xiàn)象稱為變色效應(yīng)。并不是所有的寶石都可