第六节 宝石的单折射、双折射与多色性
一、单折射和均质体（各向同性体）
一束自然光在宝石中传播时，传播方向不变，各个方向的传播速度均相等，称为单折射（Single refraction），即均质性（各向同性，Isotropic character）。具有单折射的宝石，又称为均质体（各向同性体）宝石（图3-25）。
图3-25 光通过均质体宝石的单折射现象
为了说明宝石晶体的光学性质，引入了光率体（Indicatrix）的概念。
所谓光率体是表示光波在宝石晶体中传播时，折射率值随光波振动方向变化的一种立体几何图形，是光波振动方向与相应折射率之间关系的一种光性指示体。具体做法是：自宝石晶体中心起，沿光波振动方向按比例截取相应的折射率值，每一个振动方向都能作出一条直线，直线的长度按该振动方向光波的折射率值截取，把各条线段的端点连接起来便构成一个立体图形，这个立体图形即为光率体。也可以理解为设晶体中心为坐标原点，将晶体不同方向的折射率值投影在一个三维坐标系中，各投影点的轨迹构成该晶体的光率体。
光率体可以用于解释晶体的许多光学现象，不同晶体结构的宝石其光率体的形状是不同的。
均质体包括等轴晶系和非晶质体的宝石，光波在均质体中传播时，其速度不因振动方向的改变而改变，即各个方向振动的光波在晶体中的传播速度是相同的，且沿任意方向传播均不发生双折射，相应的折射率值也相等，这类宝石仅有一个折射率值。因此，均质体的光率体是一个圆球体（图3-26）。通过圆球体中心，任何方向的切面都是圆切面，其半径代表均质体宝石的折射率值（N）。
图3-26 均质体宝石的光率体
二、双折射和非均质体（各向异性体）
一束自然光通过非均质宝石时，被分解为二束或三束传播方向不同、振动方向互相垂直的平面偏振光的现象，称为双折射（Double refraction），即非均质性（各向异性，Anisotropic character）。具有双折射的宝石，又称为非均质体（各向异性体）宝石（图3-27）。
图3-27 光通过非均质宝石的双折射现象
无论入射光是自然光还是偏光，当进入非均质的晶体后发生双折射，分解成为两束振动方向互相垂直、也与光波的传播方向垂直的两束偏光（图3-28）；同时，这两束偏光在晶体中的传播速度亦不等，相应地便有两个大小不等的折射率，两个折射率之间的差值称为双折射率（Birefringence）。
图3-28 自然光进入非均质宝石中分解成为两束振动方向互相垂直的偏振光
除等轴晶系以外的其他各晶系的宝石均为非均质体宝石。
三、光轴
具有双折射的宝石晶体都有一个或两个不发生双折射的方向，这些方向称为光轴（Optic axis）。
1.一轴晶的光率体
光在非均质宝石中传播时只有一个方向不发生双折射，即只有一根光轴的非均质体，称为一轴晶（Uniaxial crystal）。中级晶族的三方晶系、四方晶系和六方晶系的所有宝石，均为一轴晶。
在一轴晶宝石中，有最大和最小两个主折射率值，分别用Ne和No表示，光波振动方向平行Z轴（光轴）时，相应的折射率为Ne；光波振动方向垂直Z轴时，相应的折射率为No；光波振动方向斜交Z轴时，相应的折射率值大小介于Ne与No之间。
一轴晶宝石的光率体是一个以直立轴（Z轴）为旋转轴的椭球体（图3-29），直立轴也是光轴方向，光沿光轴传播时不发生双折射，该方向的折射率值为非常光的折射率，用Ne表示。当光沿其他方向传播时，均发生双折射。其中的一个偏光总是垂直于光轴方向振动，垂直光轴的圆切面各方向的折射率值相等，为常光的折射率，用No表示，双折射的另一个偏光的振动方向则与之垂直，相应的折射率Ne随光波的振动方向及传播方向的改变而变化。
图3-29 一轴晶光率体及光性方位（A：正光性Ne﹥No；B：负光性Ne﹤No）
当No﹤Ne时为正光性，No﹥Ne时为负光性。一轴晶有两个主折射率，即No和Ne，两者的差值称为宝石的双折射率。宝石的双折射率是鉴定宝石的依据之一。
2.二轴晶的光率体
光在非均质宝石中传播时有两个方向不发生双折射，具有两根光轴的非均质体，称为二轴晶（Biaxial crystal）。二轴晶的光轴与Z轴不平行。两光轴所在平面称为光轴面（Optical axial plane）；两光轴间的夹角称为光轴角（Optic axial angle），记为2V。低级晶族斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系的所有宝石，均为二轴晶。
二轴晶宝石的光率体为一个三轴不等的椭球体（图3-30），椭球体中的三个互相垂直的主轴代表二轴晶宝石的三个主要光学方向，称为光学主轴。三个主轴的相应折射率值分别用Ng、Nm、Np表示，其中Ng>Nm>Np。Ng-Nm大于Nm-Np时为正光性；Ng-Nm小于Nm-Np时为负光性。双折率为Ng-Np的绝对值。
图3-30 二轴晶光率体及光性方位
（A：正光性；B：正光性；C：负光性）
在二轴晶中，光沿任一光轴传播时均不发生双折射，并具有同一的折射率Nm；光沿其他方向传播时，均发生双折射，且振动方向相互垂直的两个偏光的振动方向和对应的折射率，均随光波传播方向的改变而变化，其一大于Nm，而另一则小于Nm；当光波的传播方向垂直于光轴面时，此时折射率分别达到最大值Ng和最小值Np。
均质体、非均质体与晶系的关系，光在其中的传播特点，以及各种宝石的光性特征，见表3-4。
表3-4 宝石的光性特征
四、多色性
非均质体有色宝石的光学性质因方向而异，对光波的选择吸收及吸收总强度也随方向而异，这种由于光波在宝石晶体中的振动方向不同，而使宝石颜色发生改变的现象称为多色性（Pleochroism）。即当光线进入某些非均质的有色宝石中所显示的两种或三种体色的现象。
在一轴晶宝石中，对应于光的振动方向平行和垂直于光轴时有两个不同的主折射率，相应地则表现出两种不同的主色。一轴晶的这种性质称为二色性（Dichroism）。
二轴晶有三个主折射率，相应地便有三种不同的主色。二轴晶宝石的这种性质称为三色性（Trichroism）。
只有非均质体宝石，才会有多色性。从理论而言，所有的非均质体都有多色性，但实际上在大多数非均质体宝石中，各主色之间的差异不明显而难以察觉。而均质体宝石则不可能有多色性。