第三节 偏光镜
一、偏光镜的工作原理
偏光镜（Polariscope）是利用偏振滤光片只允许通过向一个方向振动的光，来获取平面偏振光的原理制作而成的。
正交偏光：当两个偏振滤光片振动方向互相垂直时，光无法通过，这时观察视域为全暗（全消光），称为正交偏光。
若以PP代表下偏光镜片的振动方向，而以AA代表上偏光镜片的振动方向，当自然光通过下偏光镜片后，就成为平行PP方向振动的偏光，此偏光通过均质体宝石后，振动方向不变，与上偏光镜片的AA振动方向相互垂直。因此，通过均质体宝石的光不能透过上偏光镜，宝石呈现全暗现象［图4-16（a）］。
图4-16 宝石在正交偏光镜中的光学特点示意图
在正交偏光中放置非均质体宝石时，光进入宝石后发生双折射，分解为振动方向相互垂直且光速不等的两个偏光，若两偏光的振动方向分别与上、下偏光镜片的振动方向一致，宝石呈黑暗，无光透过上偏光镜片；旋转宝石，透过宝石的两偏光的振动方向便与上、下偏光镜片的振动方向成斜交，它们有一部分光可以透过上偏光镜片，宝石相应变亮［图4-16（b）］。在旋转宝石360°过程中，共有4次黑暗与明亮的相互交替变化。
二、偏光镜的结构
偏光镜是一种快速鉴别宝石光性的专用仪器，结构简单，除了两个相互垂直振动的上、下偏光镜片外，还有支架、样品台和底部照明光源等（图4-17）。
图4-17 偏光镜
下偏光镜片固定在偏光镜的底座上，其上部有一可以转动的玻璃样品台。下偏光镜片之下则为一内置式照明光源。上偏光镜片在弯臂支架之上，并可以自由转动。
三、偏光镜的用途
1.测定宝石的光性
使用偏光镜测定宝石的光性，对所测的宝石需要满足以下要求。
①宝石应透明至半透明，不透明或近于不透明的宝石不能用该仪器测定。
②宝石尺寸不能太小，否则对观察和解释均会造成困难。
③宝石表面应清洁干净。
使用偏光镜测定宝石光性的基本操作步骤如下。
①开启光源。
②转动上偏光片，使偏光镜视域处于最黑暗状态，即正交偏光。
③将宝石置于下偏光片上或载物台上。
④将宝石转动360°，观察其变化，根据以下情况，做出分析判断。
若宝石始终全黑（又称全消光），说明宝石为各向同性宝石（均质体宝石）；若宝石全亮（也称不消光），说明宝石为多晶质（非均质或均质，隐晶质或微晶）集合体；若宝石呈现明显的四明四暗现象，说明宝石为各向异性宝石（非均质体或均质体的异常双折射现象），需进行验证性测试；若宝石呈现不规则的明暗变化（如斑纹状、网格状、弯曲色带等消光现象），称为异常消光，说明宝石多为玻璃、塑料等仿宝石材料。
2.宝石光性的验证性测试
当宝石在偏光镜下出现四明四暗现象时，需进一步判断宝石是均质体宝石的异常双折射还是非均质体宝石。其判断的方法如下。
①正交偏光下，将该宝石转至最亮位置（或宝石中局部位置处于最亮状态）。
②迅速转动上偏光片90°，使上、下偏光片平行，此时整个视域明亮，进行观察：若宝石样品（或最亮部位处）明显变得更亮，说明宝石为均质体的异常双折射现象；若宝石样品（或最亮部位处）亮度不变或变暗，说明宝石为非均质体的双折射现象。
注意：验证时，可用黑色板或手指遮挡下偏光片的大部分照明光线，以利于观察和判断。
3.测定宝石的轴性
单晶透明的非均质体宝石在正交偏光镜沿光轴方向，借助干涉球可观察到宝石的干涉图。干涉图是双折射宝石与聚合偏光相互作用产生的一种光学效应。
一轴晶宝石的干涉图：是一个黑十字加上以围绕黑十字交点为中心的同心环状的多圈干涉色色圈，色圈越往外越密，转动宝石，图形不变［图4-18（a）］。水晶由于内部结构使偏振光发生规律旋转（即旋光性），干涉图呈中空黑十字，称为“牛眼干涉图”［图4-18（b）］。某些水晶双晶的干涉图在中心位置呈现四叶螺旋桨状的黑带（特别是某些紫晶）。
图4-18 一轴晶宝石和二轴晶宝石的干涉图
二轴晶宝石的干涉图：根据观察方向的不同，二轴晶干涉图分为两种，即单光轴干涉图和双光轴干涉图。单光轴干涉图由一个直的黑带及干涉色圈组成，转动宝石，黑带弯曲，继续转动，黑带又变直，称为“单臂”干涉图［图4-18（c）］。双光轴干涉图由二条黑带及“∞”字形干涉色圈组成，两条黑带粗细不等，“∞”字形干涉色圈的中心为二个光轴出露点，越往外色圈越密，转动宝石，黑十字从中心分裂成两个弯曲黑带，继续转动，弯曲黑带又合成黑十字，称为“双臂”干涉图［图4-18（d）］。
干涉球操作步骤：适用于单晶透明的双折射宝石；在正交偏光下看到彩色圈，这是接近光轴的方向，在宝石与上偏光片之间放入干涉球，调整宝石方位，观察图案变化，找到色圈中心；根据干涉图判断宝石的轴性。
4.宝石多色性的观察
转动偏光镜的上偏光镜片，使其与下偏光镜片的振动方向一致，此时视域应表现为最明亮，称单偏光。单偏光下边转动宝石、边观察宝石，具有多色性的宝石，其颜色将随着宝石的转动而发生变化。对于无多色性的宝石，无论怎样转动宝石，其宝石的颜色不发生任何变化。
这种观察方法对于多色性明显的宝石是有效的，而对多色性较弱的宝石，则必须用二色镜仔细观察才能分辨。
四、使用偏光镜的注意事项
要使用偏光镜测定宝石的光性时，通常需要注意以下问题。
①各向异性宝石中，垂直光轴刻面测试为特殊的干涉现象，应多测几个方向。
②具有聚片双晶的宝石在正交偏光下观察呈全亮，但宝石并非是多晶质宝石。
③裂隙或包裹体太多的透明宝石在正交偏光下观察也呈全亮现象。
④异常双折射的情况，可配合使用其他仪器进行验证，如红色石榴石出现四明四暗变化时，可用二色镜观察是否有多色性。