Dispersion är ett fenomen som är förknippat med ljusets brytning. Även om det kan förekomma med alla typer av vågor och med vilken våglängd som helst, diskuteras det ofta med avseende på synligt ljus. Dispersion är trots allt orsaken till regnbågar!
Definition av dispersion
Dispersion, ibland mer specifikt kalladkromatisk dispersion, inträffar när hastigheterna för olika komponenter i en ljusvåg beror på våglängderna för dessa komponenter. Specifika typer av kromatisk dispersion definieras av vad som orsakar beroendet av hastigheten av våglängden.
Typer av spridning
Förmaterialdispersionbetyder detta att brytningsindex i ett material skiljer sig något beroende på våglängd. (Minns att brytningsindex är n = c / v, därcär ljusets hastighet i vakuum ochvär ljusets hastighet i det givna mediet.)
Hur mycket ett material faktiskt sprider ljus mäts med en parameter som kallas Abbes nummer. För att beräkna Abbes antal måste du mäta flera brytningsindex i materialet som kommer från de karakteristiska ljusutsläppen från vissa element; dessa ljusemissioner sker bara vid vissa exakta våglängder, vilket skapar enskilda linjer vid var och en av dessa våglängder i spektrumet, och mönstret för dessa linjer är unikt för varje element.
Brytningsindex som behövs för att beräkna Abbes nummer är: det blå indexetFväte, den gulaDlinjer av natrium och den röda C-linjen för väte. Dessa är tre olika våglängder av ljus som alla kommer att ha olika brytningsindex i mediet, och Abbe-talet för mediet beräknas sedan med hjälp av följande ekvation:
v = \ frac {n_D-1} {n_F-n_C}
Om ett material har ett lägre Abbe-nummer kommer det att ha mer spridning över det synliga spektrumet.
Vågledardispersionär när hastigheten för en ljusvåg i en vågledare beror på dess frekvens på grund av vågledarens strukturgeometri. I en optisk fiber är vanligtvis både material- och vågledardispersion närvarande.
Materialdispersion uppstår på grund av olika brytningsindex i ett medium beroende på våglängd; vågledardispersion uppstår på grund av vågledarens struktur som får ljus med olika våglängder att färdas vid olika hastigheter. En annan typ av dispersion kallaspolarisationslägesdispersion, där en ljusvågs hastighet beror på dess polarisering i mediet.
En något mer komplex typ av dispersion ärgrupphastighetsspridning. Ljusvågor kan färdas i "vågpaket", även känt som "signaler" eller "pulser", och hastigheten för dessa pulser kallas en grupphastighet. Inom pulserna finns vågkomponenter med olika frekvenser; grupphastighetsdispersion uppstår när dessa komponenter börjar separera på grund av att de har olika hastigheter i mediet. Pulsen börjar sedan "spridas ut" och förlorar information. Denna försämring av signalen är ett stort problem i optiska kommunikationssystem som använder optiska fibrer.
Snells lag
Hur mycket ljus som böjs vid övergång från ett medium till ett annat bestäms av Snells lag. För en infallsvinkelθioch brytningsvinkelθr,
n_i \ sin {\ theta_i} = n_r \ sin {\ theta_r}
varniär brytningsindex för incidentmediet ochnrär brytningsindex för det andra mediet.
Om en ljusvåg rör sig från ett medium med högt brytningsindex till ett med ett mycket lägre index, med ett tillräckligt stor infallsvinkel, kräver Snells lag sinus av brytningsvinkeln att vara större än 1. Detta är tekniskt omöjligt, och det betyder att ljusvågen inte kommer att reflektera alls; i själva verket kommer det att helt återspegla gränsen mellan de två medierna. Detta kallas total intern reflektion.
Flera forskare upptäckte självständigt denna lag under historiens gång, inklusive Rene Descartes.
Triangulära prismer och regnbågar
Brytningsindex i material tenderar att vara högre för kortare våglängd blått ljus och lägre för längre våglängd rött ljus. Det betyder att blått ljus kommer att resa långsammare genom ett spridande medium än rött ljus.
När till exempel vitt ljus inträffar på ett triangulärt prisma orsakar spridningen av de olika våglängderna separering av ljus genom olika färger, vilket skapar en regnbåge.