第三节 折射仪

宝石的化学成分和晶体结构决定了宝石的折射率，折射率是宝石最稳定的性质之一。利用折射仪可以测定宝石的折射率值、双折射率值、光性特征等性质，为宝石的鉴定提供关键性证据。
一、制作原理
当光线从光密介质倾斜射入光疏介质时，折射光线远离法线，即相对靠近两介质分界线。当入射角增大到一定程度时，折射光线与法线的夹角为90°，此时的入射角称为临界角；当光线入射角大于临界角时，入射光不发生折射，全部返回到光密介质中，这种现象称为全(内)反射。宝石折射仪就是根据折射定律和全反射原理制造的。

一种介质相对于空气(严格地说应为真空)的折射率为一定值，那么，一种介质相对于另一已知介质的折射率也为一定值。根据公式可以推导出：
n2/n1=sini/sinγ
式中：i为入射角；γ为折射角；n1 为已知介质的折射率； n2 为已知介质的折射率。 当γ=90°时，n2=n1²sini。因此，只需测出i角即可求出未知介质折射率值。

二、结构及工作原理
宝石折射仪是用于测试宝石折射率的一种常规仪器，其设计目的是能无损、快速、准确地测出待测宝石的折射率值。宝石折射仪的类型有内标尺读数和外标尺读数两种。常用的为内标尺折射仪，折射率数值通过目镜内的标尺读出。外标尺折射仪是一种经改进的折射仪，取消了内标尺，取而代之的是一种刻有折射率值的外度盘。由于外度盘可旋转，它操纵一条视域内的黑带，使黑带的下边界与宝石折射产生的阴影边界重合，外度盘上的标尺就提供了折射率读数。宝石折射仪主要由高折射率棱镜、棱镜反射镜、透镜和标尺及偏光片等组成。其主要组成部分特点如下。

1．高折射率棱镜
这种棱镜材料要求满足两个条件：单折射和高折射率。大多数棱镜采用铅玻璃(折射率常为1.86～1.96)，但铅玻璃棱镜非常软，容易受损。有的折射仪采用尖晶石作为棱镜，其优点是色散低，硬度大，但缺点是测试范围很小，只能测小于1.71的宝石的折射率。此外还有钻石、合成立方氧化锆、闪锌矿等作为棱镜的折射仪。合成立方氧化锆是一种理想的棱镜材料，其折射率为2.16，硬度为8.5，不易磨损和腐蚀，但若采用常规接触液，其读数的清晰程度较差。
2．接触液
虽然不是折射仪的部件但却是折射仪使用过程中必不可少的辅件，它的作用是使待测宝石与高折射率棱镜产生良好的光学接触。当抛光宝石直接放在干净的折射仪棱镜上时，有一薄层空气膜会阻止其形成良好的光学接触，因此要使读数清晰，须有合适的接触液。接触液可配制，在折射率为1.742的二碘甲烷中饱和溶解硫，当折射率升到1.78时，再加入18％的四碘乙烯，折射率可升至1.81。这种接触液可以满足绝大部分宝石品种的测试，并且在正常情况下使用是安全的。折射率大于1.81的接触液都有极强的腐蚀性和剧毒，对测试者和棱镜都十分不利。
3．光源
常用的光源有两种，一种为折射仪外部光源，另一种为折射仪内部光源。外部光源经由折射仪入射窗口进入折射仪，内部光源位于折射仪内部。由于宝石具有色散，其折射率都是在入射光波长为589.5nm条件下测试的结果，因此最为理想的入射光应为波长589．5nm的黄光。产生最理想黄光的光源是钠光灯。若入射光为白光，由于宝石的色散，阴影边界为彩色谱带，读数时看准黄绿交界部位即可。用白光作光源，在测试单折射率宝石时尚可，但在测试具双折射的宝石时，两彩色阴影互相叠加，不易读数。棱镜和宝石的色散差别越大，则阴影边界彩色性越强。
4．待测宝石 待测宝石必须有抛光的平面或弧面。
5．工作原理 宝石为光疏介质，棱镜和接触液为光密介质。当入射角小于临界角时，光线折射进入宝石；当入射角大于临界角时，光线发生全反射，返回棱镜并通过折射仪标尺，再经反光镜反射，使之通过目镜，形成亮区。折射入宝石的光线不能被人眼所观察到，形成暗区。亮暗交界的阴影边界即标志着光线刚好以临界角入射。折射仪中的内标尺都是经过校正的，可以直接读出折射率值。

三、使用方法和测试步骤
使用折射仪可以对具抛光刻面或弧面的宝石的折射率进行测试，测试范围因所用折射仪棱镜和接触液而异，通常情况下是1.35—1.81。 在使用折射仪进行测试的过程中要注意两个问题，首先是高折射率玻璃棱镜硬度较小，若使用不当，几乎所有的宝石材料都能在棱镜上留下划痕。其次是接触液要适量，由于接触液密度很大，若点得过多，密度较小的宝石会漂浮；若点得过少，则不能使宝石与棱镜产生 良好的光学接触。
1．近视法(也称刻面法)
当宝石为刻面型时，采用下列方法和步骤进行测试，称之为近视法或刻面法。
1)用酒精清洗宝石和棱镜。
2)打开光源，观察视域的清晰程度。
3)选择宝石最大刻面，放置于金属台上。
4)在棱镜中央轻轻点一小滴接触液，通常以液滴直径约2mm为宜。
5)轻推宝石至棱镜中央，使宝石通过接触液与棱镜产生良好的光学接触。
6)眼睛靠近目镜观察视域内标尺的明暗情况，读数。
7)用手指轻轻转动宝石360°，每转一定角度进行一次观察，读数并记录。所转动角度依据观察者的经验和宝石的情况而定。初学者应每转动15’读一次数，这样虽准确但所需时间较长；经验丰富者可转动30°～90°不等进行观察和读数。

8)测试完毕，将宝石轻推至金属台上，取下。
9)清洗宝石和棱镜。清洗棱镜时要注意将沾有酒精的棉球或镜头纸沿着一个方向擦洗，以防接触液中析出的硫划伤棱镜。
上述测试方法和步骤可以准确地测出刻面宝石的折射率值和双折率，甚至轴性和光性。
2．远视法(也称点测法)
为了扩大折射仪的使用范围，对小刻面宝石或弧面型宝石的折射率，可采用远视法即点测法进行近似测试，方法如下：
1)清洗棱镜和宝石，摘下偏光片。
2)在金属台上点一滴接触液。
3)手持宝石，用弧面或小刻面接触金属台上的液滴，以保证宝石上的接触液滴直径约为0.2mm。若宝石上的液滴较大，则不易得到清晰而准确的读数。
4)将带有合适液滴的宝石轻轻放置于棱镜中央，使宝石通过液滴与棱镜形成良好的光学接触。
5)眼睛距目镜30—45cm，平行目镜前后(有人称之为上、下)移动头部，用下列两种点测法来读取宝石的折射率。
50／50法。观察液滴呈半明半暗时明暗交界处的读数并记录。所测数值为最精确的点测法读数，通常可用于表面抛光良好的宝石。读数可精确到小数点后第二位。

均值法。观察液滴的亮度在标尺的某一区间逐渐变化。取最后一个全暗影像与第一个全亮影像的读数的平均值为所测折射率。通常用于抛光不好或稍有凹凸不平的测试表面或接触油过多的情况。所测数值为精确度最差的点测法读数。读数到小数点后第二位。
3．闪烁法
对于具有高双折射率且抛光不良或一些弧面宝石，常用闪烁法来估测宝石的双折射率。其方法如下：
1)清洗棱镜和宝石。
2)取下折射仪的偏光片和放大镜。
3)按点测法放置宝石，观察其在折射仪上的液滴影像。
将偏光片在目镜上方来回90°转动(但勿将偏光片直接放在镜片上)，同时按点测法的观察方法上下移动视线，注意液滴影像明暗或颜色的变化。双折射率大的宝石，如菱锰矿、孔雀石等，在此观察过程中，液滴影像会由亮变暗，或由浅绿变成浅红、粉红闪动。
如液滴影像无闪动，转动宝石90°，再度观察。若仍无闪动，可推断宝石无高双折射率。
如液滴影像闪动，则记录液滴影像在标尺上部开始闪烁的位置和标尺下部停止闪烁的位置的两个数值，两者之差，即为双折射率的估计值(注意：此差值并非宝石的双折射率的准确数值)。