前几节谈到了光的折射、反射、干涉、衍射等作用，这些作用在宝石中引起了一些特殊的光学效应，其中主要的光学效应有猫眼效应、星光效应、变彩效应、变色效应等。
一、猫眼效应
（一）定义
在平行光线照射下，以弧面形切磨的某些珠宝玉石表面呈现的一条明亮光带，该光带随样品或光线的转动而移动的现象，称为猫眼效应。
（二）猫眼效应产生的机理
产生猫眼效应的条件：①宝石内必须具备一组密集、平行定向排列的纤维状、针管状或片状包体或某些特殊的结构（如固溶体出溶结构）；②弧面形宝石的底平面应与包体所在平面平行；③弧面型宝石的高度与反射光焦点平面高度相一致，并要注意使亮线平行于宝石的长轴。
猫眼效应是由宝石及宝石内一组密集、平行定向排列的包体或定向结构对可见光的折射和反射作用引起的。如图1-3-24所示，S面为包含包体的NM，并垂直猫眼“眼线”的弧面形宝石的纵切面。来自光源的光线照到宝石上时将发生以下几种情况。
图1-3-24 猫眼效应产生的示意图
1）沿O点入射的光线，即沿NM的法线入射的光线不发生折射而直接进入宝石。
2）沿a、b两点的入射光发生分解，部分光被折射进入宝石，遵循光从光疏进入光密介质时偏向法线方向折射的规律进行折射。从a、b两点进入宝石的折射光均靠向自身的法线方向，即造成靠向NM的法线OO ′的方向折射。
3）从a、b两点进入宝石的光在抵达包体NM上的Ga、Gb两点时再发生分解，部分光被折射出NM 面，另一部分光被反射再次抵达弧面形宝石的表面。
4）受弧面弧度的影响，相对来说由Ga点到Gb点的入射光的入射角是逐渐加大的。根据反射定律，反射角等于入射角，入射线、反射线及法线均处于同一平面内，因此Gb、Ga两点处的光反射角γGb＞γGa两束反射光共处于S平面内，并使得这两束光相交于S平面内的一点。
5）以此类推，进入弧面另一侧a′、b′ 两点的光线同样经反射并相交于一点。当弧面形宝石的高度合适时，这四条反射光线可相交于弧面上一点。当宝石内平行排列的包体十分丰富时，由包体产生的反射光在弧面形宝石表面相交点的轨迹便形成了猫眼的眼线。
（三）弧面形宝石的高度与“眼线”宽度的关系
具有猫眼效应的宝石，其“眼线”出露的宽度和亮度受宝石自身折射率值及弧面形宝石的高度的影响。对于某一特定宝石来说，其折射率值是固定的，从包体反射回来的反射光焦点平面的高度是一定的（见图1-3-25）。
只有当弧面形宝石的高度与反射光焦点平面的高度相一致时，宝石的“眼线”才能表现为一条窄而亮的光带。当弧面形宝石的高度低于反射光焦点平面时，宝石的“眼线”则表现为一条宽而稀疏的带，光带亮度降低。一般来讲，宝石折射率越高，包体反射光的焦点平面越低，因此具有猫眼效应的宝石，折射率较高者其弧面高度可以相对较低，而折射率较低的宝石其弧面高度要相对增高，这样才能使猫眼效应表现得更明显。
（四）“眼线”摆动的原因
具有猫眼效应的宝石，随着宝石的摆动或光源的摆动，“眼线”相应摆动，且“眼线”逆光源方向移动。这是因为随着光源从宝石顶部向侧面移动时，相对法线来讲，光线的入射角不断加大，与此相伴随的反射光角度也增大，反射光的焦点平面发生相应移动所致。
（五）错误的加工导致眼线不正的原因
当弧面形宝石的底面与包体所在平面不一致而发生倾斜时，包体反射光的焦点平面向弧面形宝石的一侧移动。所以当弧面形宝石水平放置时，“眼线”位置不在正中（图1-3-26）。
图1-3-25 弧面形宝石的高度与“眼线”宽度的关系
（a）当弧面形宝石的高度与内反射线焦点一致时，“眼线”出露窄而亮；
（b）当弧面形宝石的高度低于内反射线焦点平面时，“眼线”变得宽和疏。
图1-3-26 错误的加工导致“眼线”不正的原因
NM— —包裹体所在平面；
O ′— —“眼线”出露位置；O— —弧面形宝石最高点
二、星光效应
（一）定义
在平行光线照射下，以弧面形切磨的某些珠宝玉石表面呈现出两条或两条以上交叉亮线的现象，称为星光效应。每条亮带称为星线，通常多见二条、三条和六条星线。可分别称其为四射（或十字）、六射星线或十二射星光。星光效应多是由于内部含有密集平行定向排列的两组、三组或六组包体所致。
（二）星光产生的条件及形成机理
能产生星光的宝石须含有二组或二组以上定向排列的包体或定向排列的内部结构，且弧面形宝石的底面与这些包体或结构所在平面平行。星光效应的形成机理与猫眼效应形成的机理一样，是宝石及宝石内定向包体或结构对可见光的折射和反射作用引起的。所不同的是，在星光效应中包体或结构已不限于在一个方向上，这些包体按一定的角度分布，星光效应是几组包体与光作用的综合结果。红宝石矿物名称为刚玉，三方晶系，晶形呈六方柱状，在垂直结晶轴Z轴的平面内常含有三组呈细针状的金红石包体，相互之间以60°角相交。
将星光宝石中的星线分解来看，情况就会简单得多。从图1-3-27可知，每一条星线的形成机理与猫眼效应中的眼线形成是一样的，也就是说，图中每个方向的包体可以由折射、反射作用在弧面形宝石的表面形成一条亮的光带，光带的延伸方向与形成它的包体的排列方向垂直，即R1光带是由r1方向包体产生的，同样，R2方向的星线由r2方向的包体产生，R3方向的星线由r，方向的包体产生。在红宝石中，r1、r2、r3三个方向的金红石相互之间相交成60°角，因此在垂直轴的平面内r1、r2、r3三个方向的金红石的排列可以抽象成为一个等边三角形的三个边，而由它们形成的三条亮带可以抽象成为等边三角形各边的垂直等分线。根据三角形的垂直平分线定理，这三条亮带必相交于一点，在切工完美的星光宝石中，此交点占据弧面形宝石的最高点，三条亮带相交后，则成为由交点发出的六条星线，随着光的转动，交点将作反方向转动。
产生十二射星光的原因是存在上述两套星光组合，如我国山东双重星光蓝宝石，由两组六射星光组成，两组星光以30°角交叉，构成十二射星光。当两组星光的颜色相同时，则光带的强度可以相同或交替改变。两组星光有时颜色不同，比较常见的组合有黄－绿、黄－棕、黄－蓝、蓝－绿等。
图1-3-27 红宝石星光产生的原因
（a）红宝石晶体；（b）垂直Z轴平面内金红石排列的r1、r2、r3三个方向；（c）星线（R1、R2、R3）与包体的关系：R1⊥r1,R2⊥r2,R3⊥r3
三、变彩
（一）定义
宝石的特殊结构对光的干涉、衍射作用产生颜色，且颜色随着光源或观察角度的变化而变化，这种现象称为变彩。
（二）变彩的原理
变彩是由于光的干涉、衍射作用而引起的。根据杨氏双缝实验可知（图1-3-24），来自光源的光沿箭头方向入射时，在狭缝处形成一个点光源，以确保到达S1、S2两个狭缝的光的性质是完全相同的，当性质完全相同的光通过S1、S2二个狭缝（即杨氏双缝）后，S1、S2便构成一对相干光源，从S1和S2发出的光将在空间叠加。如果光源为单色光，两个子波源的光在某个方向上的波程差为半波长的偶数倍在空间相遇时便得到加强，在屏幕EE′上显示亮的条纹；当两个子波源的光在某个方向上的波程差为半波长的奇数倍在空间相遇时便相互消减，在屏幕EE′上显示暗的条纹。如果光源为白色复合光，衍射和干涉的结果是白光中的单色光的条纹将按波长依次排开，其中心为白光，最靠近白光的为紫色，依次为蓝色、绿色，最远处为红色，上下两侧对称分布。
图1-3-28 双缝干涉实验简图
杨氏试验是一个一维光栅的点间干涉，在宝石中经常遇到的则是二维空间的面干涉和三维空间的干涉情况，相对来说比较复杂。
（三）欧泊变彩的特点
欧泊是典型的具有变彩效应的宝石，其颜色及色斑变化特点归纳起来有以下几点。
1）一些灰白色的欧泊不出现色斑，仅显示蓝白色的乳光。
2）一些欧泊仅在灰白色基底上显示蓝、绿色色斑，即仅显示波长较短的颜色的色斑。
3）部分高档欧泊在白或黑色的基底上显示从紫到红的可见光光谱中的全部颜色的色斑。
4）色斑排列特点 同一块欧泊中不同颜色的色斑间杂分布，相邻色斑的颜色并不依可见光光谱色序排列。即红色色斑可直接与绿色色斑相邻，或在灰蓝色的基底中分散着几块颜色近于相同的红色色斑。
5）色斑颜色特点 同一色斑中颜色并不十分均匀，在色斑的边缘可出现按光谱色色序排列的相邻颜色。如红色色斑边缘可依次出现橙色、黄色、绿色色带。当转动欧泊或转动光源时，同一色斑的颜色将依光谱色色序变化。如红色色斑在转动时，随着转动角度的加大，红色色斑可依次向橙色、橙黄色方向变化。
（四）欧泊的变彩与结构的关系
欧泊的化学成分是SiO2·nH2O，在欧泊的结构中二氧化硅为近于等大的球体在三维空间作规则排列。通常，任意一个二氧化硅小球周围都有6个八面体空隙和8个四面体空隙。八面体空隙大小介于0.414～1倍小球直径之间。四面体空隙大小介于0.225～0.5倍小球直径之间。这样欧泊的结构便形成了最典型的天然三维光栅，在此，二氧化硅小球体及球间空隙分别相当于衍射单元和光栅常数。
欧泊的特殊结构决定了其变彩能力和变彩特点。小球的直径、球体间隙的距离及观察角度直接决定了欧泊中色斑的颜色（如图1-3-29）。
图1-3-29 欧泊变彩效应
从布拉格公式（n1λ＝2Ndsinθ）中得知，当光线垂直入射时，θ为90°，即sinθ＝1，当n1=1时，则有λ＝2n2d，已知n2=1.45，那么d＝λ/2.9。因白色可见光λ处在700～400nm范围内，那么可产生衍射条件的间隙直径应在从d=700÷2.9=241nm到d=400÷2.9=138nm之间。若：①球体间隙距离在138～241nm之间时，可允许白光中所有波长的单色光通过，形成七彩欧泊；②球体间隙距离在138～204nm之间时，只允许紫至黄的五种光谱色的光通过，形成五彩欧泊；③球体间隙距离在138～176nm之间时，只允许紫至蓝绿的三种光谱色的光通过，形成三彩欧泊；④球体间隙距离在138～165nm之间时，只允许紫、蓝光通过，形成二彩或单彩欧泊。
研究表明，天然欧泊中二氧化硅小球体的堆积不是完全均一的。产生衍射的均匀堆积球体仅存在于大于1mm至小于1cm的小块区域内。每一个均一的小块区域构成了一个独立的三维衍射光栅，该小光栅对允许可见光通过的能力及衍射作用决定了与该光栅相对应的色斑大小及颜色特征。这从某个角度解释了欧泊中相邻色斑的颜色并不遵循可见光光谱色序排列的原因。每个色斑边缘出现相邻颜色色环的原因与转动欧泊时色斑颜色依可见光光谱色序发生变化的原因是一样的，其根本原因在于观察角度发生了变化，随着欧泊的转动，即观察角度的变化，人们看到的是该小光栅中衍射图谱中的另一个颜色，即与另一衍射角θ相对应的颜色。
四、变色效应
宝石矿物的颜色随入射光光谱能量分布或入射光波长的改变而改变的现象称为变色效应。并不是所有的宝石都可产生变色效应，当宝石的可见光吸收谱满足某些条件时宝石才可能具有变色效应。以变石为例（变色机理详见第四章），变石的化学式为Be Al2O4，致色杂质离子为Cr3＋离子，Cr3＋离子的外层d电子跃迁吸收的能量为2.17 e V，介于红宝石（2.25e V）和祖母绿（2.04e V）之间，在可见光区域内，变石中红光和蓝绿光透过的几率近于相等。若利用日光灯去照射变石，则呈现蓝绿色；用白炽灯照射变石，则呈现红色（图1-3-30）。除变石外，蓝宝石和石榴石也可具变色效应。
图1-3-30 变色效应产生的原理