__NOTOC__
Диспе́рсия све́та (разложение света; светорассеяние) — 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.
Пространственной дисперсией называется зависимость тензора диэлектрической проницаемости среды от волнового вектора. Такая зависимость вызывает ряд явлений, называемых эффектами пространственной поляризации.
Свойства и проявления
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 различаются: 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: , где — длина волны в вакууме; , , — 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 искусстве
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 (см. ниже). 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.
Дисперсия в геммологии В геммологии дисперсией часто называют конкретную величину: разницу в показателях преломления материала на фраунгоферовых линиях B и G (686,7 нм и 430,8 нм) или C и F (656,3 нм и 486,1 нм). Вещество с высокой дисперсией вызывает так называемую игру света.
+ Название минерала Гематит 0,500 — Киноварь (HgS) 0,40 — Синт. рутил (TiO2) 0,330 0,190 Рутил (TiO2) 0,280 0,120–0,180 Анатаз (TiO2) 0,213–0,259 — Вульфенит 0,203 0,133 Ванадинит 0,202 — Фабулит (таусонит, титанат стронция) 0,190 0,109 Сфалерит (ZnS) 0,156 0,088 Сера (S) 0,155 — Стибиотанталит (SbTaO4) 0,146 — Гётит (FeO(OH)) 0,14 — Брукит (TiO2) 0,131 0,12–1,80 Линобат (ниобат лития, LiNbO3) 0,13 0,075 Цинкит (ZnO) 0,127 — Синт. муассанит (SiC) 0,104 — Касситерит (SnO2) 0,071 0,035 Оксид циркония (ZrO2) 0,060 0,035 Повеллит (молибдат кальция, CaMoO4) 0,058 — Андрадит 0,057 — Демантоид 0,057 0,034 Церуссит 0,055 0,033–0,050 Церуссит 0,051 0,019–0,038 Бенитоит 0,046 0,026 Англезит 0,044 0,025 Алмаз (C) 0,044 0,025 Синт. касситерит (SnO2) 0,041 — Флинтглас (стекло) 0,041 — Гиацинт 0,039 — Жёлтый циркон (жаргон, ZrSiO4) 0,039 — Шеелит (CaWO4) 0,038 0,026 Циркон (ZrSiO4) 0,039 0,022 (GGG, Gd3Ga5O12) 0,038 0,022 Диоптаз 0,036 0,021 Гипс 0,033 0,008 Алебастр 0,033 — Эпидот 0,03 0,012–0,027 Танзанит 0,030 0,011 Тулит 0,03 0,011 Цоизит 0,03 — (YAG, Y3Al5O12) 0,028 0,015 Спессартин 0,027 0,015 Уваровит 0,027 0,014–0,021 Альмандин 0,027 0,013–0,016 Гессонит 0,027 0,013–0,015 Виллемит 0,027 — Плеонаст 0,026 — Родолит 0,026 — Борацит 0,024 0,012 Криолит 0,024 — Ставролит 0,023 0,012–0,013 Пироп 0,022 0,013–0,016 Диаспор 0,02 — Гроссуляр 0,020 0,012 Гемиморфит 0,020 0,013 Кианит 0,020 0,011 Перидот 0,020 0,012–0,013 Шпинель 0,020 0,011 Везувиан 0,019–0,025 0,014 Ганит (ZnAl2O4) 0,019–0,021 — Клиноцоизит 0,019 0,011–0,014 Лабрадорит 0,019 0,010 Аксинит 0,018–0,020 0,011 Диопсид 0,018–0,020 0,01 Эканит 0,018 0,012 Корунд (Al2O3) 0,018 0,011 Синт. корунд 0,018 0,011 Рубин (Al2O3) 0,018 0,011 Сапфир (Al2O3) 0,018 0,011 Корнерупин 0,018 0,010 Синхалит (MgAl(BO4)) 0,018 0,010 Содалит 0,018 0,009 Родицит 0,018 — Гидденит 0,017 0,010 Кунцит 0,017 0,010 Сподумен 0,017 0,010 Турмалин 0,017 0,009–0,011 Кордиерит 0,017 0,009 Данбурит (CaB2(SiO4)2) 0,017 0,009 Гердерит 0,017 0,008–0,009 Рубеллит 0,017 0,008–0,009 Ахроит 0,017 — Дравит 0,017 — Эльбаит 0,017 — Индиголит 0,017 — Лиддикоатит 0,017 — Скаполит 0,017 — Шерл 0,017 — Верделит 0,017 — Андалузит 0,016 0,009 Барит (BaSO4) 0,016 0,009 Эвклаз 0,016 0,009 Датолит 0,016 — Александрит 0,015 0,011 Хризоберилл 0,015 0,011 Родохрозит 0,015 0,010–0,020 Силлиманит 0,015 0,009–0,012 Гамбергит 0,015 0,009–0,010 Пироксмангит (MnSiO3) 0,015 — Синт. шеелит 0,015 — Смитсонит 0,014–0,031 0,008–0,017 Амблигонит 0,014–0,015 0,008 Аквамарин 0,014 0,009–0,013 Берилл 0,014 0,009–0,013 Изумруд 0,014 0,009–0,013 Гелиодор 0,014 0,009–0,013 Морганит 0,014 0,009–0,013 Бразилианит 0,014 0,008 Целестин 0,014 0,008 Топаз 0,014 0,008 Гошенит 0,014 — Апатит 0,013 0,008–0,010 Авантюрин 0,013 0,008 Аметист (SiO2) 0,013 0,008 Цитрин 0,013 0,008 Празиолит 0,013 0,008 Кварц (SiO2) 0,013 0,008 Раухтопаз (SiO2) 0,013 0,008 Ангидрит 0,013 — Доломит 0,013 — Морион 0,013 — Полевой шпат 0,012 0,008 Лунный камень 0,012 0,008 Ортоклаз 0,012 0,008 Поллуцит 0,012 0,007 Альбит 0,012 — Битовнит 0,012 — Синт. изумруд 0,012 — Магнезит (MgCO3) 0,012 — Санидин 0,012 — синт. александрит 0,011 — синт. сапфир (Al2O3) 0,011 — Фосфофиллит 0,010–0,011 — Фенакит 0,01 0,009 Канкринит 0,010 0,008–0,009 Лейцит 0,010 0,008 Энстатит 0,010 — Обсидиан 0,010 — Анортит 0,009–0,010 — Актинолит 0,009 — Еремеевит 0,009 — Нефелин 0,008–0,009 — Апофиллит 0,008 — Гаюин 0,008 — Натролит 0,008 — Синт. кварц (SiO2) 0,008 — Арагонит 0,007–0,012 — Аугелит 0,007 — Бериллонит (NaBePO4) 0,010 0,007 Стронцианит 0,008–0,028 — Кальцит (CaCO3) 0,008–0,017 0,013–0,014 Флюорит (CaF2) 0,007 0,004 Тремолит 0,006–0,007 —
Обобщённая формулировка высоких порядков дисперсии — оптика Лаха — Лагерра 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.
Порядки дисперсии определяются разложением Тейлора фазы или волнового вектора.
Производные дисперсии для волнового вектора и фазы могут быть выражены как:
,
Производные любой дифференцируемой функции в пространстве длин волн или частот определяются через преобразование Лаха как:
Матричные элементы преобразования являются коэффициентами Лаха:
Записанное для дисперсии групповой скорости GDD, приведённое выше выражение утверждает, что постоянная длины волны GGD будет иметь нулевые высшие порядки. Высшие порядки, полученные из GDD:
Подстановка уравнения (2), выраженного для показателя преломления или оптического пути , в уравнение (1) приводит к аналитическим выражениям для порядков дисперсии. В общем случае дисперсия порядка POD является преобразованием типа Лагерра отрицательного второго порядка:
Матричные элементы преобразований представляют собой беззнаковые коэффициенты Лагерра порядка минус 2 и имеют вид:
Групповой показатель преломления определяется как .
В явном виде, записанные для фазы , первые десять порядков дисперсии могут быть выражены как функция длины волны с помощью преобразований Лаха (уравнение (2)) в виде:
См. также Закон дисперсии Интерференция света Дифракция света Атмосферная дисперсия Число Аббе
Примечания
Литература
Ссылки
Категория:Волновая оптика Категория:Оптические явления