可见光、单色光、白光与自然光：晶体光学与光性矿物学

（一）可见光

可见光（Visible light） 即通常所说的光或光波，它是电磁波谱中的一个成员，是正常人眼能见到（感觉到）的一段电磁波，其频率为3.9×1014～7.7×1014 Hz，在真空或空气中的波长为770～390nm（图1-1）。可见光可以是单色光，也可以是白光；可以是自然光，也可以是偏光。

（二）单色光与白光

频率（f）是光波的重要特征值。某一频率的光波在不同介质中传播时，其频率是固定不变的，但在不同介质中的传播速度（v）不同，因此其相应的波长（λ）是随传播的介质不同而改变的。决定光的颜色是光波的频率，而不是波长。如一光波，其f=4×1014 Hz，为红色，按公式v=f·λ计算，其空气中的波长λ=750nm；进入水中后，其频率不变，但由于传播速度变小，波长变短为560nm，虽然波长变短，但水中人见到该光的颜色仍然为红色，而不是真空中或空气中λ=560nm的光所表现的黄绿色。晶体光学中所述的光波波长，若没有特别说明，是指真空或空气中的波长。

单色光（Homogeneus light） 是频率为某一定值或在某一窄小范围的光，或波长为某一定值或在某一窄小范围的光。如钠光灯产生的黄光，其λ=589.3nm。波长与589.3nm接近的一段光波（λ=570～590nm）也呈黄色。按频率从小到大，或按波长从大到小，可见光可分为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫七种基本单色光，各单色光在真空中的波长范围见图1-1。单色光可以是自然光，也可以是偏光。

图1-1　可见光在电磁波谱中的位置

（据李德惠，1993，略有修改）

人眼对各单色光的灵敏度是不均等的，是呈正态分布的，人眼最敏感的光是波长为550～560nm的黄绿色光，较敏感的光是黄光、绿光、橙黄光、蓝绿光、橙光（图1-2）。由于人眼较敏感的黄光可用钠光灯较容易获取，测定矿物折射率时，常以黄光作光源。晶体光学和光性矿物学中所列折射率即是矿物对黄光的折射率。

白光（White light） 是由七种基本单色光混合的光，如常见的日光、白炽灯光都为白光。白光的平均波长为580nm，与黄光波长相近。因此，用白光光源测定的折射率可视作用黄光光源测定的折射率。白光可以是自然光，也可以是偏光。

（三）自然光与偏光

自然光（Natural light） 所有实际光源如太阳、燃烧的蜡烛、电灯等所发射出的光，一般都是自然光。自然光的基本特征是在垂直光波传播方向的平面内各个方向上都有等振幅的光振动（图1-3A），也就是说，光波在垂直其传播方向的平面内作任意方向的振动，振动面均匀对称，振幅相等。自然光可以是白光，也可以是单色光。

图1-2　人眼对不同波长光波的相对灵敏度(https://www.xing528.com)

（据Wahlstrom，1979；转引自陈芸菁，1987，修改）

偏振光（Polarized light） 自然光穿过某些介质，经过反射、折射、双折射、选择吸收等作用，可以改变其振动状态，变成在垂直光波传播方向的某一个固定方向上振动的光波，具有这种振动特征的光波称为平面偏振光（Plane polarized light），简称偏振光或偏光。偏光的振动方向与传播方向所构成的平面称为振动面（图1-3B）。偏光可以是白光，也可以是单色光。

图1-3　自然光（A）和偏光（B）振动特点示意图

（据李德惠，1993）

使自然光转变为偏光的作用称为偏光化作用（Polarization）。晶体光学研究中主要应用偏光，使用的基本仪器是偏光显微镜。偏光显微镜中装置有使自然光转变为偏光的偏光镜。偏光镜既有根据介质的双折射作用制成的，如尼科尔棱镜，也有利用介质的选择吸收作用制成的，如偏光胶板或偏光片。

尼科尔棱镜（图1-4）由冰洲石制成：取一块长度约为宽度三倍的冰洲石（方解石）晶体，将两端切去一些，使主截面上的角度为68°，将晶体沿着垂直于主截面及两端面的平面切开，再用加拿大树胶黏合在一起，即成为尼科尔棱镜。当自然光入射尼科尔的第一块棱镜后被分解成o、e两束偏光（后述）：其中o光到达树胶层时发生全反射（后述），被棱镜侧面吸收；e光透过树胶层，并从第二块棱镜端面透出。这样，进入棱镜的光虽然为自然光，但透出棱镜的光则成为了偏光。尼科尔棱镜由苏格兰学者尼科尔（Nicol）于1828年发明，因而得名。尼科尔棱镜的发明使岩石学进入到崭新的偏光显微镜时代。早先制造的偏光显微镜多由尼科尔棱镜作偏光镜。

人造偏振片（图1-5）具有强烈的选择性吸收，它只允许某一方向振动的光透出，而其余各方向振动的光几乎全被吸收，同样能使自然光变为偏光。现代制造的偏光显微镜多由人造偏振片作偏光镜。

图1-4　尼科尔棱镜

图1-5　人造偏振片