Dispersion er et fænomen forbundet med lysbrydning. Selvom det kan forekomme med enhver form for bølge og med enhver lysbølgelængde, diskuteres det ofte med hensyn til synligt lys. Spredning er trods alt årsagen til regnbuer!
Definition af spredning
Dispersion, undertiden mere specifikt kaldetkromatisk dispersion, opstår, når hastighederne for forskellige komponenter i en lysbølge afhænger af disse komponenters bølgelængder. Specifikke typer kromatisk dispersion defineres af, hvad der forårsager hastighedsafhængigheden af bølgelængden.
Typer af spredning
Tilmaterialedispersionbetyder dette, at brydningsindekset i et materiale adskiller sig lidt afhængigt af bølgelængden. (Husk at brydningsindekset er n = c / v, hvorcer lysets hastighed i vakuum ogver lysets hastighed i det givne medium.)
Hvor meget et materiale faktisk spreder lys måles ved hjælp af en parameter kaldet Abbes nummer. For at beregne Abbes antal skal du måle flere brydningsindekser i materialet, der kommer fra de karakteristiske lysemissioner fra visse elementer; disse lysemissioner sker kun ved bestemte nøjagtige bølgelængder og skaber individuelle linjer ved hver af disse bølgelængder i spektret, og mønsteret af disse linjer er unikt for hvert element.
Brydningsindekserne, der er nødvendige for at beregne Abbes nummer, er: det blå indeksFlinje af brint, den guleDlinjer af natrium og den røde C-linje af brint. Disse er tre forskellige bølgelængder af lys, som alle vil have forskellige brydningsindekser i mediet, og Abbes nummer for mediet beregnes derefter ved hjælp af følgende ligning:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Hvis et materiale har et lavere Abbe-nummer, vil det have mere spredning over det synlige spektrum.
Bølgelederdispersioner når hastigheden af en lysbølge i en bølgeleder afhænger af dens frekvens på grund af geometrien af bølgelederens struktur. I en optisk fiber er både materiale og bølgelederdispersion normalt til stede.
Materiel dispersion opstår på grund af forskellige brydningsindeks i et medium afhængigt af bølgelængde; bølgelederdispersion opstår på grund af strukturen af bølgelederen, der får lys med forskellige bølgelængder til at bevæge sig ved forskellige hastigheder. En anden type spredning kaldesspredning af polarisationsmodus, hvor en lysbølges hastighed afhænger af dens polarisering i mediet.
En lidt mere kompleks type dispersion ergruppehastighedsdispersion. Lysbølger kan bevæge sig i "bølgepakker", også kendt som "signaler" eller "impulser", og hastigheden af disse impulser kaldes en gruppehastighed. Inden for impulser er bølgekomponenter med forskellige frekvenser; gruppehastighedsdispersion opstår, når disse komponenter begynder at adskille på grund af at have forskellige hastigheder i mediet. Pulsen begynder derefter at "sprede sig ud" og mister information. Denne nedbrydning af signalet er et stort problem i optiske kommunikationssystemer, der bruger optiske fibre.
Snells lov
Hvor meget lys der bøjes, når det passerer fra et medium til et andet, bestemmes af Snells lov. For en indfaldsvinkelθjegog brydningsvinkelθr,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
hvornjeger brydningsindekset for hændelsesmediet ognrer brydningsindekset for det andet medium.
Hvis en lysbølge bevæger sig fra et medium med et højt brydningsindeks til et med et meget lavere indeks, med et stor nok indfaldsvinkel, kræver Snells lov, at brydningsvinkelens sinus er større end 1. Dette er teknisk umuligt, og det betyder, at lysbølgen slet ikke reflekteres; faktisk afspejler det helt grænsen mellem de to medier. Dette kaldes total intern refleksion.
Flere forskere opdagede uafhængigt denne lov i løbet af historien, herunder Rene Descartes.
Trekantede prismer og regnbuer
Brydningsindekset i materialer har tendens til at være højere for kortere bølgelængde blåt lys og lavere for længere bølgelængde rødt lys. Dette betyder, at blåt lys vil rejse langsommere gennem et spredende medium, end rødt lys vil.
Når f.eks. Hvidt lys forekommer på et trekantet prisme, forårsager spredning af de forskellige bølgelængder adskillelse af lys ved forskellige farver, hvilket skaber en regnbue.