Sự hấp thụ chọn lọc ánh sáng là cơ chế chủ yếu tạo ra màu sắc của hầu hết các loại đá quý. Chỉ một số hạn chế đá quý có các sắc màu đặc biệt do các hiện tượng quang học sau đây.

Sự tán sắc ánh sáng (dispersion)

Sự tán sắc ánh sáng là hiện tượng ánh sáng trắng bị phân giải thành các màu đơn sắc khi truyền qua (hoặc phản xạ) từ đá quý. Hiện tượng này có thể minh họa bằng hiện tượng ánh sáng trắng truyền qua một lăng kính thủy tinh và tạo ra các ánh đơn sắc.

Các tia màu tím bị khúc xạ mạnh nhất (có n cao hơn), các tia đỏ khúc xạ thấp nhất (n nhỏ nhất).

Hiện tượng tán sắc ánh sáng tạo ra các sắc màu như sắc cầu vồng trong hầu hết các loại đá quý (thường được gọi là “lửa” của viên đá), nhất là các loại đá quý chế tác không màu, trong suốt và có chiết suất cao như kim cương, zircon…

Sự giao thoa ánh sáng (interference)

Nếu hai sóng ánh sáng phủ chồng lên nhau chúng sẽ giao thoa với nhau

a) Sóng a giao thoa với sóng b cùng pha, tạo nên sóng tổng có biên độ bằng tổng biên độ các sóng thành phần (a+b);

b) Sóng a giao thoa với sóng b ngược pha, kết quả hai sóng triệt tiêu nhau;

c) Sóng a giao thoa với sóng b lệch pha, sóng tổng có biên độ (a+b) khác với biên độ của các sóng thành phần.

Khi hai sóng ánh sáng cùng pha và giao thoa với nhau (trường hợp a), sóng tổng cũng cùng pha nhưng có biên độ là tổng biên độ của hai sóng. Nếu hai sóng ngược pha và cùng biên độ thì khi giao thoa chúng sẽ triệt tiêu nhau (b). Trường hợp hai sóng lệch pha (trường hợp c) ta sẽ có một sóng mới có pha (bước sóng) và biên độ khác với các sóng ban đầu.

Hiện tượng giao thoa ánh sáng gây ra các hiệu ứng “schiller” lấp lánh sắc cầu vồng trong một số đá quý như thạch anh (do các khe nứt nhỏ song song) hay labradorit (do các tấm cực mỏng). Đây là hiệu ứng labrador (labradorescence)

Tham khảo: tổng quan đá mặt trăng

Sự nhiễu xạ ánh sáng (diffraction)

Sự nhiễu xạ ánh sáng là hiện tượng bẻ cong tia sáng và tách ánh sáng thành các màu khác nhau khi đi qua một khe hẹp. Sau đó các màu này lại giao thoa với nhau tạo nên hiện tượng biến màu (“trò chơi” màu). Đây là hiện tượng đặc trưng cho opal, mà khi thay đổi các góc quan sát ta sẽ thấy từng phần trong viên đá có màu thay đổi liên tục.

Sự nhiễu xạ ánh sáng cũng là nguyên lý hoạt động của một số thiết bị có tên gọi là cách tử nhiễu xạ dùng để tạo ánh sáng đơn sắc từ ánh sáng trắng trong phổ kế trực quan.

Khi sóng ánh sáng bị giới hạn bởi một khe hẹp, một phần ánh sáng sẽ bị bẻ cong. Nếu ta có một loạt khe như vậy (cách tử nhiễu xạ) thì các tia nhiễu xạ sẽ giao thoa với nhau tạo ra phổ màu khác nhau.

Như trong hình sự nhiễu xạ ánh sáng trong cách tử nhiễu xạ (hình dưới), sau khi đi qua cách tử nhiễu xạ các tia sẽ lệch pha tăng dần từ AB đến CD. Chính do sự lệch pha này mà các tia sẽ giao thoa với nhau, một số tia cùng pha (ứng với mỗi màu nhất định) sau khi giao thoa màu sẽ tăng lên, một số tia khác lệch pha 100% sẽ bị triệt tiêu (mất màu). Nếu ánh sáng đập vào cách tử nhiễu xạ được điều chỉnh (chuẩn trực) thành các tia song song thì sau khi qua cách tử nhiễu xạ, chúng ta sẽ có các màu với bước sóng tăng dần.

Cách tử nhiễu xạ thường được làm từ một tấm kính thủy tinh, trên đó bằng kỹ thuật in ảnh trên kính người ta in lên các vạch cực mảnh song song (khoảng 600-1200 vạch trên 1cm).

Sự tán xạ ánh sáng (scattering)

Sự tán xạ ánh sáng gây ra một số hiệu ứng quang học đặc biệt trong đá quý:

Hiệu ứng adularia

Là hiện tượng tạo màng gợn sóng (wavy sheen) do sự tán xạ ánh sáng từ các phiến rất mỏng xuất hiện do hiện tượng phá hủy dung dịch cứng (đá mặt trăng)

Hiệu ứng opal

Là hiện tượng có các màu khác nhau (lơ sữa trong ánh sáng phản xạ và hơi đỏ trong ánh sáng truyền qua) do sự tán xạ ánh sáng từ các phần tử rất nhỏ (opal, đá mặt trăng)

Hiệu ứng mắt mèo (cat’s eye effect)

Một đường sáng gợn sóng do sự tán xạ ánh sáng từ các bao thể hình kim rất nhỏ hoặc do cấu trúc sợi bên trong (chrysoberyl mắt mèo, thạch anh mắt mèo)

Hiệu ứng sao

Là hình sao gợn sóng do sự tán xạ ánh sáng từ các bao thể hình kim rất nhỏ phân bố theo các phương tinh thể học xác định (corindon sao, diopsit sao, ruby sao…).

Tham khảo: ánh sao là gì

Hiệu ứng ánh lụa

Ánh long lanh bên trong do sự tán xạ ánh sáng từ các bao thể rất nhỏ hoặc các khe nứt (ruby, sapphire…)