Дисперсия - это явление, связанное с преломлением света. Хотя это может происходить с любым типом волны и с любой длиной волны света, это часто обсуждается в отношении видимого света. В конце концов, дисперсия - причина радуг!
Определение дисперсии
Дисперсия, иногда более конкретно называемаяхроматическая дисперсия, возникает, когда скорости различных компонентов световой волны зависят от длин волн этих компонентов. Конкретные типы хроматической дисперсии определяются тем, что вызывает зависимость скорости от длины волны.
Типы дисперсии
Дляматериальная дисперсия, это означает, что показатель преломления материала немного отличается в зависимости от длины волны. (Напомним, что показатель преломления n = c / v, гдеcскорость света в вакууме иvскорость света в данной среде.)
То, насколько материал действительно рассеивает свет, измеряется параметром, называемым числом Аббе. Чтобы вычислить число Аббе, вам необходимо измерить несколько показателей преломления материала, которые возникают из-за характерного светового излучения определенных элементов; это световое излучение происходит только на определенных точных длинах волн, создавая отдельные линии на каждой из этих длин волн в спектре, и структура этих линий уникальна для каждого элемента.
Показатели преломления, необходимые для вычисления числа Аббе:Fлиния водорода, желтаяDлинии натрия и красная линия C водорода. Это три разные длины волн света, которые будут иметь разные показатели преломления в среде, и затем число Аббе для среды вычисляется с использованием следующего уравнения:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Если у материала меньшее число Аббе, он будет иметь большую дисперсию в видимом спектре.
Волноводная дисперсияэто когда скорость световой волны в волноводе зависит от ее частоты из-за геометрии структуры волновода. В оптическом волокне обычно присутствует и материальная, и волноводная дисперсия.
Дисперсия материала происходит из-за различных показателей преломления в среде в зависимости от длины волны; Волноводная дисперсия возникает из-за структуры волновода, заставляющей свет с разной длиной волны распространяться с разной скоростью. Другой тип дисперсии называетсяполяризационная модовая дисперсия, где скорость световой волны зависит от ее поляризации в среде.
Несколько более сложный тип дисперсиидисперсия групповой скорости. Световые волны могут распространяться в виде «волновых пакетов», также известных как «сигналы» или «импульсы», и скорость этих импульсов называется групповой скоростью. Внутри импульсов находятся волновые составляющие разной частоты; Дисперсия групповой скорости возникает, когда эти компоненты начинают разделяться из-за наличия разных скоростей в среде. Затем импульс начинает «расширяться», теряя информацию. Это ухудшение сигнала является большой проблемой в системах оптической связи, в которых используются оптические волокна.
Закон Снеллиуса
Насколько свет отклоняется при переходе из одной среды в другую, определяется законом Снеллиуса. Для угла паденияθяи угол преломленияθр,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
гдепя- показатель преломления падающей среды ипр- показатель преломления второй среды.
Если световая волна распространяется от среды с высоким показателем преломления к среде с гораздо более низким показателем преломления, то достаточно большой угол падения, закон Снеллиуса требует, чтобы синус угла преломления был больше, чем 1. Это технически невозможно, а значит, световая волна вообще не отразится; фактически, он будет полностью отражаться от границы между двумя средами. Это называется полным внутренним отражением.
Несколько ученых независимо открыли этот закон в ходе истории, в том числе Рене Декарт.
Треугольные призмы и радуги
Показатель преломления материалов обычно выше для более коротковолнового синего света и ниже для более длинноволнового красного света. Это означает, что синий свет будет проходить через диспергирующую среду медленнее, чем красный свет.
Например, когда белый свет падает на треугольную призму, рассеяние разных длин волн вызывает разделение света на разные цвета, создавая радугу.