折射仪

折射仪是宝石实验室中最重要的工具之一。它指示（而不是测量）宝石的折射率，这通常为宝石的身份提供重要线索。

尽管人们期望折射仪能够测量宝石内部光的折射，但事实并非如此。它是基于一种名为全内反射（或 TIR）的独特光学现象。 为了更好地理解折射仪，首先需要了解折射。

光线(1)通过一个开口(1a)从折射仪后部进入，开口内（或之前）可以放置黄色钠滤光片。然后光线照射到镜子 (2) 上，镜子将光线传输到半圆柱体 (3) 的中心。该半圆柱体由高折射玻璃制成（通常为Schott的 N-LaSF ，折射率约为nD的1.88 ，莫氏硬度约为 6.5）。在半圆柱体和宝石(4)之间的边界处，光线将在宝石内部部分折射，部分在半圆柱体中反射（请参阅下面的全内反射）。反射光线(5)将穿过读数刻度(6)和透镜 (7) 或一系列透镜，具体取决于折射仪的类型。 反射光线照射到镜子(8)上，镜子将光线引导至目镜(9)，然后从折射仪外部进入您的眼睛 (11)。 目镜（9）可以滑入和滑出以实现更好的聚焦，并且通常与可拆卸的偏光滤镜（10）一起用。

由于半圆柱的硬度与大多数宝石相比相对较低，因此必须小心不要刮伤它。否则会损坏您的折射仪，因为宝石和圆柱之间不可能形成光学接触，并会给您错误的读数。

当光从光密材料（折射率较高）传播到光稀疏材料（折射率较低）时，所有到达两种材料边界的光要么在光密材料内部进行反射，要么被折射到光稀疏材料中，这取决于光的入射角。

对于每两种接触的介质，当光从密度大的介质传播到密度小的介质时，光线完全反射或折射的分界线是固定的，并且可以计算出来。这条分界线称为临界角(ca)。在上面的图像中，您可以看到以红线表示的临界角。

当光以大于此临界角的角度（蓝线）到达两种材料边界时，光线将完全反射回密度大的介质中。以小于临界角的角度到达边界的光将从密度大的介质中折射出来（少量将被反射）进入密度大的介质（绿线）。所有精确地以临界角传播的光都将沿着两种材料边界的路径传播。

注意：在这个例子中，光似乎来自3个光源，但来自单点时原理是相同的。

在半圆柱体中，入射光线和出射光线在指向中心时始终以90度角到达边界。当光线与边界成90度角时不会发生折射。使用半圆柱体，因此进入或离开密度较大的材料的光线不会发生折射。

标准宝石折射仪可以利用这一现象，因为反射的光线将在刻度盘上显示为亮区，而折射的光线不可见（因此显示为黑色）。折射仪刻度盘上显示的明暗边界是临界角的可见表示。

因此，标准宝石折射仪测量玻璃半圆柱体和宝石之间的临界角，并将其绘制在校准的刻度盘上。因此，这种折射仪最好，称为“临界角折射仪”。

适当的照明光源是使用折射仪时的关键特征之一。

虽然使用白光源也可以得到结果，但标准是波长约为589.3nm的单色黄光。这种光源历来被广泛使用，因为它很容易通过在蜡烛中燃烧食盐来产生（成本非常低）。所有宝石的折射率都基于钠光（或nD的使用。

使用不同的波长会产生不同的读数。由于宝石的折射率测量精度为小数点后 0.001，因此应该使用钠光。除非另有说明，所有宝石折射率表均使用此光制作。

白光可用于观察单折射宝石或获得第一印象，应寻找异色白光源的绿色和黄色之间的边界。

然而，对于双折射的宝石，则应改用钠光源，原因也很简单，因为白光下的双折射读数很容易重叠，无法获得正确的读数。当然，较亮和较暗区域之间的边界更清晰，使读数更容易。

请务必购买带有钠过滤器或钠光源的折射仪。

这里事情变得有点复杂。

接触液用于在半圆柱体和宝石之间形成光学接触。这是为了防止空气滞留在宝石刻面和半圆柱体之间，从而破坏全内反射效果。

由于这种接触液体也有自己的折射率，因此半圆柱体和液体之间也会发生全内反射。重要的是确保使用最小的液体滴，这样石头就不会浮在液体上。使用足够的液体来形成“薄膜”。唐纳德·胡佛通过个人交流补充说，太多的液体不仅会稍微抬起石头，读数也可能由于液体内部的折射而略有偏差（光线会略有偏离）。对于薄膜，这种情况是微不足道的，对读数几乎没有影响。

结果显然是两个全内反射读数，一个来自半圆柱体-液体，另一个来自液体-石头边界（根据折射定律，这与没有使用液体时的情况相同）。这就是为什么您还会在折射仪上较高刻度附近看到一个微弱的读数，这是液体的读数。

液体的折射率决定了折射仪可以测试哪些宝石的极限。通常液体的折射率为1.79，但有些液体的折射率为1.81。您无法测量折射率高于所用液体的宝石。折射率高于液体的宝石会给出“负读数”。

有折射率更高的液体可供选择，但它们毒性太大，只能在配备特殊设备的实验室中使用。当然，它们还需要一个折射率比液体更高的特殊半圆柱体。

应该始终保护接触液体免受光照（尤其是1.81型），并且注意不要让液体结晶。

液体的化学成分为：

• 1.79-硫和二甲苯的饱和溶液
• 1.81-硫、二碘甲烷和四碘乙烯的饱和溶液

接触液体后请务必洗手——不仅仅是为了闻气味。

所有仪器都一样，能正确使用是关键。

首先，在折射仪的半圆柱体中心滴上一小滴接触液，然后将要检查的石头朝下放在半圆柱体旁边。用指甲将石头滑到半圆柱体的中心。对于椭圆形的石头，将其纵向放置。

此时，接触液会吸入刻面下方，使宝石和半圆柱之间形成光学接触。不要将宝石压在圆柱上，以免损坏半圆柱（维修费用非常昂贵。）关闭折射仪的盖子，使宝石免受周围光线的影响。如果尚未取下偏光滤镜，请将其取下。

现在，将光源放在后面，将您最好的眼睛（通常是右眼）放在折射仪的目镜前。您应该将眼睛放在与目镜成直角的位置，以防止出现“视差”。了解眼睛是否处于正确位置的最佳方法是，您是否可以在不移动眼睛的情况下看到整个刻度（或大部分刻度）。

现在，在刻度上找到明暗之间的分界线。（对于凸圆形切割的宝石，技术略有不同。请参阅下面的“远视”方法。）如果刻度看起来模糊，您可以将目镜滑入和滑出以获得更好的聚焦。现在您可以开始读数（如下所述）。

完成后，轻轻地将石头从半圆柱体上滑下，如果可能的话，用手指取下石头。保持半圆柱体清洁很重要，因此请使用干净的布或纸巾轻轻擦拭圆柱体上残留的接触液。轻轻地进行此操作，不要施加任何压力，以南北方向移动。

如上所述，半圆柱体由硬度较低的玻璃制成，容易刮伤。因此，务必确保将研磨材料和尖锐物体（如镊子）远离半圆柱体。

请查看下面的图片来了解如何正确使用折射仪。

注意：有些人发现很难直接从瓶子中滴出一小滴液体。另一种方法是先多滴几滴（通常为2或3滴）放在半圆柱体旁边，并将石头放在最小的一滴上，然后将石头和液体一起滑到半圆柱体上。或者可以通过在半圆柱体旁边滴几滴液体来排出液体棒中多余的液体，然后将剩余的液体直接涂抹在折射仪的半圆柱体上。无论哪种方法都可以。

我们将折射仪读数精确到0.001（千分之一）。折射仪刻度有细分指示，精确到0.01（百分之一）。在指示0.01的两个水平条之间，您需要估计最终的精度。

读数为1.544

在上图中，您将看到阴影边缘位于 1.54 和 1.55 条之间。我们需要在这两个值之间找到最后的精度。由于它刚好位于中间上方，最后的精度为 0.004。因此读数为 1.544 。

估算最后一位小数需要一些练习。一些折射仪（如 Eickhorst 折射仪）的刻度划分更详细，这使得读数更容易。有了一点经验，你会发现不需要更容易读取的刻度。

以下是用于多面宝石的 RI 读数方法。凸圆形和球形切割宝石需要使用略有不同的技术，这将在“远视”部分中解释。

测量折射仪读数时，通常从最大的刻面（通常是台面）开始。将宝石放在起始位置，然后盖上折射仪的盖子。确保光源已打开。

将眼睛放在目镜前面，使其与折射仪刻度成直角。现在您很可能会看到刻度顶部有一个暗区，下部有一个较亮的区域。如果您选择了单色钠光源，则亮区和暗区之间会有一条清晰的线。这条线称为“阴影边缘”。（您还可能会看到 2 个不太清晰的“阴影边缘”。）

将偏振滤光片放在目镜上，一边看着刻度，一边将偏振镜左右旋转 90 度。您将观察到以下两种可能性之一：

1. 数字列表项目仅可见一个阴影边缘

• 石头要么是各向同性
• 入射光以与光轴平行的角度到达宝石，你应该将宝石旋转 90 度

2. 数字列表项目你会看到阴影边缘在刻度上的两个值之间移动

• 石头是单轴的
• 石头是双轴的

在第一种情况下，只看到一个阴影边缘，阴影边缘的读数在宝石旋转135度期间保持不变。每次旋转读数时，进行两次测量：一次使用偏光滤镜在南北位置，一次使用偏光滤镜在东西位置。

下图中的读数表明，单块折射（各向同性）宝石的 RI = 1.527，最有可能是玻璃。（如果发现单块折射透明刻面宝石的RI在1.50和1.70之间，则最有可能是玻璃）。对单块折射宝石进行四组读数（偏振器处于两个位置）似乎有些过度，事实也确实如此；无论如何都要进行测量。

在第二种情况下，阴影边缘在刻度上的两个值之间移动，将您看到的两个值以表格形式写下来。

以下是具有单轴光学特性的双折射宝石的4组读数（其中一个读数值保持不变）。对于每组读数，您用手指将宝石旋转45度，不施加压力，同时让宝石与半圆柱体保持接触。

在测量折射仪读数时，记下刻度盘上的读数。每组读数时，偏振滤光片都会旋转 90 度。除此之外，您还可以进行第五次读数（旋转 180 度）。 在上面的例子中，较低的读数（1.544）保持不变，而较高的读数会发生变化。在其他宝石中，较高的值可能保持不变，而较低的值会发生变化。

注意：下限读数是读数的下限值，而不是刻度的下限。 这块石头的 RI 为 1.544 - 1.553（最小下读数和最大上读数）。这表明它是石英。

要计算被测宝石的双折射，您需要取最大高读数和最小低读数之间的最大差值。在本例中，即 1.553 - 1.544 = 0.009 。

有些宝石的低读数在折射仪（和液体）的范围内，而高读数则超出范围。这些宝石在折射仪上只会显示一个读数，不要与各向同性宝石混淆。

宝石也可能有两个可变的较低和较高读数，但程序保持不变。将较低和较高的读数写在表格中，然后计算双折射。

这些读数给出了双轴读数，RI = 1.611-1.620，双折射率为 0.009，表明是黄玉。

光学特性是指光线在宝石（或大多数其他材料）中的传播方式。

在单轴和双轴材料中，入射光将在两个（单轴）或三个（双轴）振动方向上偏振，这些方向在宝石内部以不同的速度传播。这是由于宝石内部的分子堆积所致。为了更好地理解，我们参考了关于双折射的讨论。

根据光线穿过宝石的方式，宝石可分为三类（特征）：

1. 各向同性
2. 单轴
3. 双轴

1，各向同性宝石是指光在宝石中以相同的速度向各个方向传播。 这些石头包括立方晶系的石头，以及像玻璃这样的无定形石头。 • 在折射仪上，您将看到一个恒定的读数。

2，单轴意味着光在两个方向上传播的方式不同。 一束光会在水平面上振动，我们称之为寻常光线 (ω)。另一束光会在垂直平面上沿 c 轴振动，我们称之为非常光线 (ε)。这种非常光线也是光轴（光沿着该轴表现为各向同性）。 本质上单轴的宝石属于四方、六方和三方晶系。 • 您将在折射仪上看到一个常数读数和一个变量读数。

3，双轴宝石也会将入射光分裂成两束光线，但晶体方向分别标记为 α、γ 和 β 射线。这两条射线都充当了非常射线。 具有双轴光学特征的宝石有两个光轴。 正交晶系、单斜晶系和三斜晶系都是双轴的。 • 这将通过折射仪上的两个变量读数显示。

这是用于估算凸圆形切割宝石的 RI 的方法。

在半圆柱体上滴一小滴接触液，然后将石头放在液滴上，放在液滴最凸的一侧。取出偏振滤光镜（如果尚未取出）并盖上盖子。

将头向后移离目镜约 30 厘米，直视刻度。在刻度上，您会看到接触液滴的反射。当您以“是”的动作稍微移动头部时，您会看到液滴在刻度上移动。尝试注视液滴一半是暗的而另一半是亮的点。

上方的图片显示了移动头部时的三个阶段。上方的水滴太亮，下方的水滴太暗。中间的水滴显示了一半暗一半亮的良好状态。

现在将头移向目镜并估算折射率。与刻面宝石不同，使用此方法时，我们的估算精度为 0.01。左侧的图像显示了液体的反射，其半亮半暗，折射率为 1.54。这颗宝石可能是琥珀。

可惜的是，除非双折射非常大（如碳酸盐），否则无法使用此方法测定双折射。“双折射闪烁”或“碳酸盐闪烁”技术利用较大的一滴接触液和一块偏光板。当板旋转时，将看到斑点闪烁。可以通过此技术粗略估计双折射。