分光镜和二色镜

第五节　分光镜和二色镜

一、分光镜

分光镜（如图3－35、图3－36）是重要的宝石测试仪器，体积小，便于携带，使用十分方便。分光镜用于观察宝石的选择性吸收形成的特征光谱，确定宝石的品种，推断宝石的致色原因，研究宝石的颜色组成。

图3－35　手持分光镜

图3－36　台式分光镜

（一）原理及结构

宝石的颜色是宝石对不同波长的可见光选择性吸收后造成的。未被吸收的光混合形成宝石的体色。宝石中的致色元素常有特定的吸收光谱。宝石中的致色元素主要为钛（Ti）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）等过渡金属元素。除过渡金属元素外，某些稀土元素（如铷、镨）以及某些放射性元素（如铀、钍），也会使宝石致色。

分光镜能将白光按波长依次分开排列，我们可以分析出哪些波段被吸收，根据吸收特征可以判断出宝石的致色元素或（和）种类。根据色散元件的不同，可制作两种类型的分光镜。

1.棱镜式分光镜

（1）结　构

分光镜主要有狭缝、准直透镜、纠偏的色散棱镜组和出射窗口等部分组成（如图3－37）。当白光通过狭缝后，经准直透镜成为平行光束照射到棱镜组上，被棱镜色散后经出射窗口进入人的眼睛。

图3－37　棱镜式分光镜结构图

（2）棱镜式分光镜的特点

棱镜式分光镜产生的光谱为非线性光谱，各色区分布不均，紫区分辨率高；各个色区不同时聚焦，光谱也比较明亮。

2.光栅式分光镜

（1）结　构

与棱镜式的不同之处是采用光栅做色散元件，代替棱镜组（如图3－38）。平行的白光透过光栅后，产生衍射，形成多级光谱，一般只采用亮度最大的一级光谱。在光栅的前面或者后面放置一个纠偏棱镜，使得光谱能够直射出窗口。

图3－38　光栅式分光镜结构图

（2）光栅式分光镜的特点

光栅式分光镜产生的为线性光谱，各色区分布均匀，红区相对棱镜式分辨率高；各个色区同时聚焦，但是透光性差，需强光源，光谱较暗。

（二）使用方法

1.光源选择

无特征吸收的光源，纯净、强度够大，一般用光纤灯（冷光源）。

2.确定照明方式

（1）透射照明法（如图3－39）：适用于彩色、透明度较好的宝玉石；

图3－39　透射照明法

（2）内反射照明法（如图3－40）：适用于色浅、透明度好的刻面宝石；

图3－40　内反射照明法

（3）表面反射法（如图3－41）：适用于透明度差的宝玉石，特别是玉石类的。

图3－41　表面反射照明法

3.观察记录

以第二步确定的照明方式进行观察，一手持分光镜。另一手持拿光源（和待测宝石），并记录所观察到的吸收光谱，记录要有绘图＋文字描述。

（三）用　途

（1）鉴定具有特征吸收光谱的宝石种，例如：红宝石；

（2）帮助确定致色元素，例如：祖母绿与绿色绿柱石（Cr）；

（3）帮助鉴别某些天然与合成宝石，例如：合成蓝色尖晶石和天然蓝色尖晶石；

（4）帮助鉴别某些优化处理过的宝玉石，例如：翡翠与Cr盐染色翡翠；

（5）帮助鉴别某些天然宝石与其仿制品，例如：红宝石和红色玻璃。

（四）特征光谱

1.Cr^3＋特征光谱

Cr^3＋离子具有很强的致色作用，其吸收光谱总体上是透过红光，吸收黄绿光，透过蓝光，吸收紫光。最为特征的是，在透光的红光区中有吸收线。如图3－42、图3－43红宝石和祖母绿的吸收光谱。

图3－42　红宝石（棱镜式）

图3－43　祖母绿（棱镜式）

2.Fe^2＋的特征光谱

Fe^2＋具有很强的致色作用，但是吸收的波段变化较大，既有导致宝石呈绿色的红光区吸收，又有导致宝石呈红色的蓝光区吸收。出现的特征吸收线（带），主要位于绿区和蓝区，如铁铝榴石（如图3－44）、橄榄石（如图3－45）等。

图3－44　红色铁铝榴石（棱镜式）

图3－45　橄榄石（棱镜式）

3.Fe^3＋的特征光谱

Fe^3＋的致色作用不强，通常是导致黄色，在蓝紫光区有吸收窄带，如黄色蓝宝石（如图3－46）和金绿宝石（如图3－47）等。

图3－46　黄色蓝宝石（棱镜式）

图3－47　金绿宝石（棱镜式）

4.Co^2＋的特征光谱

Co^2＋具有很强的致色作用，产生鲜艳的蓝色，通常在橙光区、黄绿区、绿区有强吸收带（如图3－48）。由于地壳中Co的丰度很低，很少有Co^2＋致色的天然宝石，所以，Co^2＋的特征光谱又有指示合成或者人造宝石的作用。

图3－48　合成蓝色尖晶石（棱镜式）

5.Mn^3＋的特征光谱

Mn^3＋的致色作用比较弱，最强的吸收位于紫区并可延伸到紫区外，部分蓝区有吸收，致色宝石主要呈现粉红或橙红，如菱锰矿、蔷薇辉石。例如锰铝榴石的吸收带位于紫区的432nm（如图3－49）。

图3－49　黄色锰铝榴石（棱镜式）

6.稀土元素的特征光谱

稀土元素的吸收光谱常形成特有的细线，如黄色的磷灰石常有位于黄光区的细线（如图3－50）。铀虽不能导致鲜明的颜色却能产生明显的吸收谱，例如绿色锆石可以出现10多条吸收线均匀地分布在各个色区（如图3－51）。

图3－50　磷灰石（棱镜式）

图3－51　绿色锆石（棱镜式）

（五）注意事项与局限性

（1）光源：选择纯净的光，检查是否具有选择性吸收，若出现亮线，为荧光线；

（2）光照时间不宜过长，因为宝石受热后某些吸收特征会消失；

（3）常光－非常光，不同方向的吸收有所差异，具定向光谱，例如：巴西绿柱石；

（4）观察时，不应用手持拿小型宝石，手指中的血液具有吸收线（592nm），会影响观察；

（5）保持仪器清洁，灰尘会在分光镜中产生横的“吸收线”；

（6）太小的宝石，不宜用分光镜观察，颜色太浅的宝石，应尽量让光通过宝石的路径长一些；

（7）拼合石的光谱可能为混合谱线，应先拿放大镜或宝石显微镜检查其是否为拼合石，再进行分光镜测试；

（8）并非所有宝石都显示吸收光谱，一般有色宝石常见，无色宝石只有锆石、钻石、CZ、顽火辉石才有吸收光谱，其他无色宝石可不做分光镜测试。

二、二色镜

宝石的多色性在某些情况下是辅助判定宝石品种的依据，二色镜就是用来观察宝石多色性的一种常规仪器（如图3－52）。

图3－52　二色镜

（一）工作原理及结构

1.工作原理

二色镜的原理，是通过特定的光学元件，捕捉样品是否将入射光分解成相互垂直的两个不同振动方向的光，并且这两束光的颜色是否有差异，以及差异的大小。具有这种性能的光学元件可以是并排放置的两块振动方向垂直的偏光片，但是更常用的是具有强双折射的晶体，如冰洲石。

2.结　构

常用的二色镜是冰洲石二色镜，它由玻璃棱镜、冰洲石菱面体、透镜、通光窗口和目镜等部分组成。冰洲石具有极强的双折射，能把透过非均质宝石的两束偏振化色光再次分解，它的菱面体的长度设计成正好可使小孔的两个图像在目镜里能并排成像，使分解的偏振光的颜色并排出现在窗口的两个影像中（如图3－53）。

图3－53　二色镜的结构示意图

（二）使用方法

（1）用自然光（或白光）透射宝石样品。

（2）将二色镜紧靠宝石，保证进入二色镜的光为透射光。

（3）眼睛靠近二色镜，边转动二色镜边观察二色镜两个窗口的颜色差异。在观察时还需注意要转动宝石与二色镜，至少观察三个方向（如图3－54）；

图3－54　二色镜的使用方法及现象

（4）观察后旋转二色镜180°验证，如果是宝石的多色性，旋转后窗口中的两种颜色会发生对调（如图3－55）。若宝石具有三色性，则转动宝石180°时，窗口中会出现第三种不同的颜色（如图3－55）。

图3－55　宝石的二色性和三色性

（5）记录并分析结果。两种或三种颜色的明显程度（强、中、弱）＋颜色变化/无。

（三）观察现象及结论

只有有色透明的非均质宝石具有多色性，无色和均质体宝石不存在多色性，观察到的两个窗口颜色相同。

根据多色性的强弱，通常可分为4级：

强：肉眼即可观察到不同方向的颜色差异。如红柱石、堇青石等。

中：肉眼难以观察到多色性，但二色镜下观察明显，如红宝石等。

弱：二色镜下能观察到多色性，但多色性不明显，如紫晶、橄榄石等。

无：二色镜下不能观察到多色性，如尖晶石、石榴石等均质体宝石和无色或白色的非均质体宝石。

多色性的强弱程度不仅取决于宝石本身的光性特征，同时还受到宝石的大小，颜色的深浅不同等因素的影响。通常单晶宝石的颗粒越大、颜色越深，多色性越明显。

多色性观察现象及结论总结为表3－2。

表3－2　　　　　　多色性观察现象及结论

（四）用　途

（1）辅助区分均质体与非均质体宝石，如红宝石与红色尖晶石；

（2）辅助区分一轴晶与二轴晶宝石，如堇青石三色性显著（蓝色、紫蓝色、浅黄色），为二轴晶宝石；

（3）辅助鉴定具有典型多色性的宝石，例如，红宝石：强，玫瑰红/橙红；

（4）辅助加工定向。

①确定光轴方向；

②具多色性的宝石台面应呈现最好的颜色。

（五）注意事项

（1）光源应为灯光或太阳光，绝不能使用单色光和偏振光。

（2）宝石一定是有色的单晶宝石，颜色越深透明度越好的越容易观察。

（3）宝石应尽量靠近二色镜的一端，保证有较多的透射光进入二色镜，并减少刻面的反射光进入二色镜。

（4）多转动宝石或二色镜，从不同的方向观察宝石。