Это не официальный сайт wikipedia.org 01.01.2023

Дисперсия света — Википедия

Дисперсия света

(перенаправлено с «Дисперсия (оптика)»)

Диспе́рсия све́та (разложение света; светорассеяние[1]) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны). Экспериментально открыта Исааком Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее[2].

Разложение света в спектр вследствие дисперсии при прохождении через призму (опыт Ньютона)

Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.

Свойства и проявленияПравить

Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно, чем меньше длина световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде:

  • у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления — минимальна,
  • у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна.

Однако в некоторых веществах (например, в парах иода) наблюдается эффект аномальной дисперсии, при котором синие лучи преломляются меньше, чем красные, а другие лучи поглощаются веществом и от наблюдения ускользают. Говоря строже, аномальная дисперсия широко распространена, например, она наблюдается практически у всех газов на частотах вблизи линий поглощения, однако у паров иода она достаточно удобна для наблюдения в оптическом диапазоне, где они очень сильно поглощают свет.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Белый свет разлагается в спектр в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от неё (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции). Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр — равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

По аналогии с дисперсией света, также дисперсией называются и сходные явления зависимости распространения волн любой другой природы от длины волны (или частоты). По этой причине, например, термин закон дисперсии, применяемый как название количественного соотношения, связывающего частоту и волновое число, применяется не только к электромагнитной волне, но к любому волновому процессу.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Дисперсия является причиной хроматических аберраций — одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видеообъективов.

Огюстен Коши предложил эмпирическую формулу для аппроксимации зависимости показателя преломления среды от длины волны:

n = a + b / λ 2 + c / λ 4  ,

где λ   — длина волны в вакууме; a, b, c — постоянные, значения которых для каждого материала должны быть определены в опыте. В большинстве случаев можно ограничиться двумя первыми членами формулы Коши. Впоследствии были предложены другие более точные, но и одновременно более сложные, формулы аппроксимации.

Дисперсия света в природе и искусствеПравить

 
Благодаря дисперсии можно наблюдать разные цвета
  • Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, — один из ключевых образов культуры и искусства.
  • Благодаря дисперсии света можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметах или материалах.
  • В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться и/или подчёркиваться.
  • Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме — довольно распространённая тема в изобразительном искусстве. Например, на обложке альбома The Dark Side of the Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.


Обобщенная формулировка высоких порядков дисперсии - оптика Лаха-ЛагерраПравить

Описание хроматической дисперсии с помощью пертурбативного подхода через коэффициенты Тейлора подходит для задач оптимизации, где необходимо сбалансировать дисперсию от нескольких различных систем. Например, в лазерных усилителях, импульсы сначала растягиваются во времени, чтобы избежать оптического повреждения кристаллов. Затем, в процессе усиления энергии, импульсы накапливают неизбежную линейную и нелинейную фазу, проходя через различные материалы. Наконец, импульсы сжимаются в различных типах компрессоров. Для того чтобы сбросить любые остаточные высшие порядки в накопленной фазе, отдельные порядки дисперсии обычно измеряются и балансируются. Для однородных систем такое пертурбативное описание часто не требуется (например, для распространения импульса в волноводах или оптических волокнах). Дисперсионные порядки сводятся к аналитическим уравнениям, которые идентичны преобразованиям типа Лаха-Лагера[3][4].

Порядки дисперсии определяются разложением Тейлора фазы или волнового вектора.

φ ( ω ) = φ   | ω 0 +   φ ω | ω 0 ( ω ω 0 ) + 1 2   2 φ ω 2 | ω 0 ( ω ω 0 ) 2   + + 1 p !   p φ ω p | ω 0 ( ω ω 0 ) p +  

k ( ω ) = k   | ω 0 +   k ω | ω 0 ( ω ω 0 ) + 1 2   2 k ω 2 | ω 0 ( ω ω 0 ) 2   + + 1 p !   p k ω p | ω 0 ( ω ω 0 ) p +  

Производные дисперсии для волнового вектора k ( ω ) = ω c n ( ω )   и фазы φ ( ω ) = ω c O P ( ω )   может быть выражени как:

p ω p k ( ω ) = 1 c ( p p 1 ω p 1 n ( ω ) + ω p ω p n ( ω ) )    , p ω p φ ( ω ) = 1 c ( p p 1 ω p 1 O P ( ω ) + ω p ω p O P ( ω ) ) ( 1 )  

Производные любой дифференцируемой функции f ( ω | λ )   в пространстве длин волн или частот определяются через преобразование Лаха как:

p ω p f ( ω ) = ( 1 ) p ( λ 2 π c ) p m = 0 p A ( p , m ) λ m m λ m f ( λ )   ,   p λ p f ( λ ) = ( 1 ) p ( ω 2 π c ) p m = 0 p A ( p , m ) ω m m ω m f ( ω ) ( 2 )  

Матричные элементы преобразования являются коэффициентами Лаха: A ( p , m ) = p ! ( p m ) ! m ! ( p 1 ) ! ( m 1 ) !  

Записанное для дисперсии групповой скорости GDD, приведенное выше выражение утверждает, что постоянная длины волны GGD будет иметь нулевые высшиепорядки. Высшие порядки, полученные из GDD, являются:

p ω p G D D ( ω ) = ( 1 ) p ( λ 2 π c ) p m = 0 p A ( p , m ) λ m m λ m G D D ( λ )  

Подстановка уравнения (2), выраженного для показателя преломления n   или оптического пути O P  , в уравнение (1) приводит к аналитическим выражениям для порядков дисперсии. В общем случае дисперсия p t h   порядка POD является преобразованием типа Лагерра отрицательного второго порядка:

P O D = d m φ ( ω ) d ω m = ( 1 ) p ( λ 2 π c ) ( p 1 ) m = 0 p B ( p , m ) ( λ ) m d m O P ( λ ) d λ m   ,   P O D = d m k ( ω ) d ω m = ( 1 ) p ( λ 2 π c ) ( p 1 ) m = 0 p B ( p , m ) ( λ ) m d m n ( λ ) d λ m  

Матричные элементы преобразований представляют собой беззнаковые коэффициенты Лагерра порядка минус 2 и имеют вид: B ( p , m ) = p ! ( p m ) ! m ! ( p 2 ) ! ( m 2 ) !  

Первые десять порядков дисперсии, записанные в явном виде для волнового вектора:

G D = ω k ( ω ) = 1 c ( n ( ω ) + ω n ( ω ) ω ) = 1 c ( n ( λ ) λ n ( λ ) λ ) = v g r 1  

Групповой показатель преломления n g   определяется как: n g = c v g r 1  .

G D D = 2 ω 2 k ( ω ) = 1 c ( 2 n ( ω ) ω + ω 2 n ( ω ) ω 2 ) = 1 c ( λ 2 π c ) ( λ 2 2 n ( λ ) λ 2 )  

T O D = 3 ω 3 k ( ω ) = 1 c ( 3 2 n ( ω ) ω 2 + ω 3 n ( ω ) ω 3 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 2 ( 3 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + λ 3 3 n ( λ ) λ 3 )  

F O D = 4 ω 4 k ( ω ) = 1 c ( 4 3 n ( ω ) ω 3 + ω 4 n ( ω ) ω 4 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 3 ( 12 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 8 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + λ 4 4 n ( λ ) λ 4 )  

F i O D = 5 ω 5 k ( ω ) = 1 c ( 5 4 n ( ω ) ω 4 + ω 5 n ( ω ) ω 5 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 4 ( 60 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 60 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 15 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + λ 5 5 n ( λ ) λ 5 )  

S i O D = 6 ω 6 k ( ω ) = 1 c ( 6 5 n ( ω ) ω 5 + ω 6 n ( ω ) ω 6 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 5 ( 360 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 480 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 180 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + 24 λ 5 5 n ( λ ) λ 5 + λ 6 6 n ( λ ) λ 6 )  

S e O D = 7 ω 7 k ( ω ) = 1 c ( 7 6 n ( ω ) ω 6 + ω 7 n ( ω ) ω 7 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 6 ( 2520 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 4200 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 2100 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + 420 λ 5 5 n ( λ ) λ 5 + 35 λ 6 6 n ( λ ) λ 6 + λ 7 7 n ( λ ) λ 7 )  

E O D = 8 ω 8 k ( ω ) = 1 c ( 8 7 n ( ω ) ω 7 + ω 8 n ( ω ) ω 8 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 7 ( 20160 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 40320 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 25200 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + 6720 λ 5 5 n ( λ ) λ 5 + 840 λ 6 6 n ( λ ) λ 6 + + 48 λ 7 7 n ( λ ) λ 7 + λ 8 8 n ( λ ) λ 8 )  

N O D = 9 ω 9 k ( ω ) = 1 c ( 9 8 n ( ω ) ω 8 + ω 9 n ( ω ) ω 9 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 8 ( 181440 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 423360 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 317520 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + 105840 λ 5 5 n ( λ ) λ 5 + 17640 λ 6 6 n ( λ ) λ 6 + + 1512 λ 7 7 n ( λ ) λ 7 + 63 λ 8 8 n ( λ ) λ 8 + λ 9 9 n ( λ ) λ 9 )  

T e O D = 10 ω 10 k ( ω ) = 1 c ( 10 9 n ( ω ) ω 9 + ω 10 n ( ω ) ω 10 ) = 1 c ( λ 2 π c ) 9 ( 1814400 λ 2 2 n ( λ ) λ 2 + 4838400 λ 3 3 n ( λ ) λ 3 + 4233600 λ 4 4 n ( λ ) λ 4 + 1693440 λ 5 5 n ( λ ) λ 5 + + 352800 λ 6 6 n ( λ ) λ 6 + 40320 λ 7 7 n ( λ ) λ 7 + 2520 λ 8 8 n ( λ ) λ 8 + 80 λ 9 9 n ( λ ) λ 9 + λ 10 10 n ( λ ) λ 10 )  

В явном виде, записанные для фазы φ  , первые десять порядков дисперсии могут быть выражены как функция длины волны с помощью преобразований Лаха (уравнение (2)) в виде:

p ω p f ( ω ) = ( 1 ) p ( λ 2 π c ) p m = 0 p A ( p , m ) λ m m λ m f ( λ )   ,   p λ p f ( λ ) = ( 1 ) p ( ω 2 π c ) p m = 0 p A ( p , m ) ω m m ω m f ( ω )  


φ ( ω ) ω = ( 2 π c ω 2 ) φ ( ω ) λ = ( λ 2 2 π c ) φ ( λ ) λ  

2 φ ( ω ) ω 2 = ω ( φ ( ω ) ω ) = ( λ 2 π c ) 2 ( 2 λ φ ( λ ) λ + λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 )  

3 φ ( ω ) ω 3 = ( λ 2 π c ) 3 ( 6 λ φ ( λ ) λ + 6 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 )  

4 φ ( ω ) ω 4 = ( λ 2 π c ) 4 ( 24 λ φ ( λ ) λ + 36 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 12 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 )  

5 φ ( ω ) ω 5 = ( λ 2 π c ) 5 ( 120 λ φ ( λ ) λ + 240 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 120 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 20 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + λ 5 5 φ ( λ ) λ 5 )  

6 φ ( ω ) ω 6 = ( λ 2 π c ) 6 ( 720 λ φ ( λ ) λ + 1800 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 1200 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 300 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + 30 λ 5 5 φ ( λ ) λ 5   + λ 6 6 φ ( λ ) λ 6 )  

7 φ ( ω ) ω 7 = ( λ 2 π c ) 7 ( 5040 λ φ ( λ ) λ + 15120 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 12600 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 4200 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + 630 λ 5 5 φ ( λ ) λ 5 + 42 λ 6 6 φ ( λ ) λ 6 + λ 7 7 φ ( λ ) λ 7 )  

8 φ ( ω ) ω 8 = ( λ 2 π c ) 8 ( 40320 λ φ ( λ ) λ + 141120 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 141120 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 58800 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + 11760 λ 5 5 φ ( λ ) λ 5 + 1176 λ 6 6 φ ( λ ) λ 6 + 56 λ 7 7 φ ( λ ) λ 7 + + λ 8 8 φ ( λ ) λ 8 )   9 φ ( ω ) ω 9 = ( λ 2 π c ) 9 ( 362880 λ φ ( λ ) λ + 1451520 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 1693440 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 846720 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + 211680 λ 5 5 φ ( λ ) λ 5 + 28224 λ 6 6 φ ( λ ) λ 6 + + 2016 λ 7 7 φ ( λ ) λ 7 + 72 λ 8 8 φ ( λ ) λ 8 + λ 9 9 φ ( λ ) λ 9 )  

10 φ ( ω ) ω 10 = ( λ 2 π c ) 10 ( 3628800 λ φ ( λ ) λ + 16329600 λ 2 2 φ ( λ ) λ 2 + 21772800 λ 3 3 φ ( λ ) λ 3 + 12700800 λ 4 4 φ ( λ ) λ 4 + 3810240 λ 5 5 φ ( λ ) λ 5 + 635040 λ 6 6 φ ( λ ) λ 6 + + 60480 λ 7 7 φ ( λ ) λ 7 + 3240 λ 8 8 φ ( λ ) λ 8 + 90 λ 9 9 φ ( λ ) λ 9 + λ 10 10 φ ( λ ) λ 10 )  

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Егоров Н. Г. Светорассеяние // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  2. Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
  3. Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (2022-10-24). “Analytical Lah-Laguerre optical formalism for perturbative chromatic dispersion”. Optics Express []. 30 (22): 40779–40808. Bibcode:2022OExpr..3040779P. DOI:10.1364/OE.457139.
  4. Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (2020-08-30). “Theory of the Chromatic Dispersion, Revisited”. arXiv []. Bibcode:2020arXiv201100066P. DOI:10.48550/ARXIV.2011.00066.

ЛитератураПравить

  • Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — Изд. 4-е, сокр. — М.: Искусство, 1977.

СсылкиПравить