宝石材料的双折射及其在鉴定中的应用

余炼钢

(德宏师范高等专科学校，云南德宏 678400)

双折射是非均质宝石材料的一种特殊光学性质，常表现为10×放大镜或显微镜下某些宝石中的重影效应。从广义上说，它属于宝石的一种非物质形态的包体［1］，是区别于均质体宝石的重要标志。目前宝石学界的普遍认知是，放大观察到清晰的后刻面棱重影是宝石材料具有高双折射率的直接证据，可作为镜下识别特征，也是判定宝石属非均质体(各向异性)材料的重要依据。其次，高双折射率的晶体材料具特殊性能，可用作光学仪器元件，如冰洲石(高纯度无色透明的方解石)具有很高的双折射率(DR:0.172)，可用来制作冰洲石二色镜［2-3］，观察宝石的多色性效果较之一般二色镜更佳，等等。笔者经对大量宝石标本的观察研究发现，不同宝石及同种宝石的不同个体之间双折射及其引起的重影效应存在不同程度的差异。为此，本文在剖析光的双折射原理［4-6］基础上，论述了宝石双折射的多种表现形式、重影效应观察的方法技巧及其在鉴别几种特殊钻石仿冒品中的应用，由此希望拓展对宝石双折射性质的理解和实践运用，为宝石学习者、研究者提供了参考。

1 光的双折射原理

当自然光进入各向异性(非均质体)宝石材料中，除特殊方向(光轴)外，会被分解成两束传播方向不同且振动方向相互垂直的独立偏振光，这两束光的传播速度及折射率也不相同，这种现象称为光的双折射，两束偏振光的折射率之间的最大差值称为双折射率。双折射是由于各向异性宝石材料晶体结构中质点在各方向上排列方式、质点间距、偶极距等各不相同，存在明显的异向性，从而能改变入射光波的振动特点，使之发生偏振化。例如，一束自然光P进入水晶晶体后，因双折射作用在出射界面分解成两束偏振光P1、P2(图1)。此时，若逆着出射偏振光P1、P2光路方向观察，则隔着透明宝石材料可看到光源物体的两个影像，这也正是很多透明刻面宝石呈现后刻面棱重影效应的原理所在。

图1 光的双折射示意图Fig.1 The schematic diagram of birefringence of light

相比而言，各向同性(均质体)的宝石材料具有完全不同的性质，无论入射光性质如何，进入各向同性宝石材料后，其光波性质和振动特点都不会改变，入射光为自然光(光波在垂直传播方向的平面内的各个方向均有等幅振动)，则出射光为自然光，入射光为平面偏振光(光波仅在垂直传播方向的某个平面内有振动)，出射光依然为平面偏振光(图2)，其传播速度及相应折射率由宝石材料本身性质决定，不因光的传播方向变化而不同。例如，当一束光从空气斜向进入玻璃(各向同性)中，传播方向向界面法线一侧偏移，这就是大家所熟知的光的折射(单折射)作用(图3)。此时，若逆着折射光观察光源物体时则只有一个影像，不会出现重影效应。

图2 光进入各向同性材料示意图Fig.2 Schematic diagram of light entering isotropic materials

图3 光的单折射示意图Fig.3 Schematic diagram of single refraction of light

图4 橄榄石:20×，后刻面棱重影Fig.4 Peridot:20×，post-engraved double shadow

2 宝石重影效应的观察与识别

据上述双折射原理可知，重影效应是光在非均质宝石材料中发生双折射作用的一种特殊现象，均质体宝石无重影，非均质体的宝石才能观察到重影。但我们在实际宝石研究中发现，重影仅在少数几种双折射率值较高的宝石才能见到，如:锆石(DR:0.039±)、碧玺(DR:0.024±)、橄榄石(DR:0.035～0.038)、铬透辉石(DR:0.024～ 0.030)、莫桑石 DR:0.043、合成金红石(DR:0.287)等［7-8］，而绝大部分双折射率较低的宝石，无法观察到重影，如水晶、磷灰石、海蓝宝石等。那么在未知鉴定中如何正确识别宝石中的重影效应呢?

首先，观察重影效应要求宝石必须为透明－半透明的非均质体单晶宝石，均质体及多晶质宝石材料均不可能出现重影，且刻面琢型宝石观察效果较曲面(弧面、蛋面、雕件)型宝石观察效果要好。其次，借助10倍放大镜或宝石显微镜，在透射光条件下边转动宝石边观察，透过宝石重点观察对向刻面棱线、内部微细裂隙、解理纹等，可在特定角度见到某些刻面棱、裂隙、解理纹处出现模糊分离的双影线，类似于未戴专用3D眼镜观看3D电影时荧屏上人物轮廓模糊的情形。以部分彩色宝石为例，橄榄石可见明显后刻面棱重影(图4)，尤其当棱线被磨损重影效果更明显。碧玺则因内部毛矿裂隙发育常同时可见后刻面棱重影(图5，箭头1、2)和内部微裂隙重影(图5，箭头3、4)。因而，重影效应不限于通常理解的刻面型宝石的后刻面棱重影，宝石内部的微裂隙、解理纹处亦能观察到。最后须了解，宝石材料的双折射率越高，重影效应越清晰，越容易观察，反之，折射率越低越难观察甚至无法观察。

图5 碧玺:40×，箭头1、2处为后刻面棱重影，箭头3、4为内部微裂隙处的重影Fig.5 Tourmaline:40× ，arrows 1 and 2 are double shadows of post－engraved edges，and arrows 3 and 4 are double shadows of internal micro-fissures.

此外，笔者发现重影效应在某些双折射率极高的宝石中还可表现出另一种特殊情形，暂且称之为“线条重影”试验。以方解石为例，方解石双折射率(DR:0.172)很高，多呈无色－浅黄色、透明的菱面体晶体或解理块。将透明的方解石放在画有黑色直线条的白纸上，透过方解石观察发现线条出现明显的双影线，转动样品双影线之间的距离由小变大，然后由大变小，且转到特定位置双影线消失，重合为一条影线，继续转动样品时双影线重新出现，且两条影线间距发生周期性变化(图6)。原因在于:方解石属于一轴晶三方晶系的宝石，自然光进入方解石后，被分解成两束偏振光，折射率值分别为No(常光)和Ne(非常光)。随着样品的转动，光轴(即晶体的最高次对称轴L3)方向与纸张所在平面的角度发生周期性变化，常光折射率No值不变，而非常光折射率值Ne发生由小变大再由大变小发生周期性变化，双折射率值DR=︱Ne－No︱也随之在0和最大值(0.172)之间周期性变化。当方解石光轴垂直于纸张平面，双折射率值为0，重影消失，当光轴倾斜角度最大时，双折射率值最大为0.172，双影线之间距离也变为最大。

图6 方解石的重影效应Fig.6 The double-shadow effect of calcite

3 重影效应在仿钻饰品中的特殊情形解析

据笔者多年的宝石研究及市场调研经验，目前国内市场上钻石仿冒品至少有十几种，其中令消费者尤其迷惑的是近无色透明、圆钻型、具明亮火彩，且镶嵌成戒指、项坠等的仿钻饰品，这些饰品外观上与钻石十分接近，其中就包括莫桑石、合成金红石、锆石。这三种仿钻都属于非均质材料，双折射率较高，理论上具重影效应，而高品质钻石属于均质体，无重影效应，表现为显微镜下正常的刻面棱线(图7)，据此可快速将仿钻与钻石鉴别开来。但实际上笔者在大量观测实践中发现，重影效应在这几种钻石仿冒品中的表现有以下几种不同情形:

图7 钻石:20×，无重影效应Fig.7 Diamond:20×，no double-shadow effect

(1)以部分莫桑石样品为例，正对台面垂直观察，以及将样品台面倾斜到任何角度，均可透过台面、冠部刻面(风筝面、星小面、上腰小面)观察到亭部靠近底尖处棱线的双影线(图9)。(2)同样以莫桑石、合成金红石为例，部分样品正对台面垂直观察无双影线，只有将台面倾斜至一定角度，透过台面及冠部刻面才可观察到双影线。(3)以锆石为例(图11)，部分样品正对台面垂直观察，以及将台面倾斜到任何角度，都无法从台面观察到双影线，只有将台面倾斜至特定角度，且透过冠部刻面(非台面)才能观察得到。(4)从钻石台面及冠部的风筝面、上腰小面刻面均可观察到底尖及靠近底尖的亭部棱线的影像(图8)，这些多个影像不仅形态相同而且有些挨得很近，但只要稍稍晃动钻石，其中部分影像即快速移动甚至消失，它与双折射引起的重影有本质区别，切不可混淆。

图8 钻石:20×，从不同刻面观察到底尖影像(非重影)Fig.8 Diamond:20×，bottom-tip image(non-doubleshadow effect)observed from different facets

图9 莫桑石:20×，垂直台面观察可见重影Fig.9 moissanite:20× double shadows is visable from the direction of vertical Mesaand crown facets

图10 莫桑石:20×，台面倾斜至特定角度从台面及冠部均可见重影Fig.10 moissanite:20× double shadows is visable from mesa when the mesa is tilted to a specific angle

以上第一种情形为大家所熟知，第二、三种情形若不仔细观察就会导致误判，须引起足够重视。究其原理，与上述方解石“线条重影”试验相似，本质上是由宝石不同的切磨定向引起的。莫桑石、锆石和合成金红石均为一轴晶宝石，其单晶体材料中只有唯一的光轴C轴(最高次对称轴L6或L4)和两个折射率值No和Ne(No值固定，Ne值连续变化)。当它们用来仿冒钻石时均被加工成圆钻型。若其台面定向与C轴垂直，则双折射率值DR=︱Ne－No︱最小为0，垂直台面观察则无重影，须将台面倾斜至一定角度才能观察到，若台面定向与C轴斜交，即交角α在0°～90°之间，双折射率DR在最大值和0之间，则从台面及冠部刻面均可见重影，且α越接近0度越容易观察，反之，α越接近90度越难观察，此外，重影效应的清晰程度亦与这些材料本身的折射率值的大小相关，在相同切工定向情况下，双折射率值越大的宝石材料重影效应越清晰。

图11 锆石:a垂直台面观察无重影，b、c将台面倾斜至特定角度从冠部见重影(c－40×为b局部放大)Fig.11 Zircon:no double shadows from vertical mesa(a)，double shadows is visable from crown facets when the mesa is tilted to a specific angle(c－40× is magnified b part)

可见，在观察这些特殊的仿钻饰品时，须透过样品台面及各冠部刻面，并变换角度仔细观察是否有重影，方能保证鉴定的准确性。

4 结 语

双折射是非均质体单晶宝石的基本性质之一，高双折射率的宝石不仅表现为后刻面棱重影，还表现为宝石内部微裂隙、解理纹的重影，以及类似方解石的“线条重影”试验。重影效应在莫桑石、锆石、合成金红石等钻石仿冒品中表现为不同情形，须引起宝石研究者、鉴定师足够的重视，这同时也给宝石学研究带来了新的思考。