Šviesos dispersija

Šviesos dispersija vadinama šviesą apibūdinančio dydžio (lūžio rodiklio, fazinio greičio, grupinio greičio, sklidimo kampo ir t. t.) priklausomybė nuo šviesos spalvos (dažnio). Labiausiai žinomas dispersijos pavyzdys yra vaivorykštė. Vaivorykštė susidaro dėl vandens lašų, esančių ore, medžiaginės dispersijos – vandens lūžio rodiklio priklausomybės nuo šviesos bangos ilgio (spalvos). Skirtingos spalvos šviesos spinduliai, keliaudami per vandens lašą, lūžta skirtingais kampais, tokiu būdu Saulės šviesą sudarančios skirtingų spalvų bangos atsiskiria erdvėje, sudarydamos vaivorykštę.

Medžiaginė dispersija turi įtakos ir kitomis aplinkybėmis: tarkim ji sąlygoja impulsų plitimą optiniame šviesolaidyje, dėl to signalai išsikraipo nusklisdami didelius atstumus. Medžiaginė dispersija ir netiesiniai efektai gali sąlygoti solitonų atsiradimą. Medžiaginė dispersija kartais yra vadinama chromatinė dispersija, taip pabrėžiant jos prigimtį.

Difrakcinė gardelė sąlygoja kampinės dispersijos atsiradimą didesnės negu nulinės eilės difrakciniuose maksimuose. Kampinė dispersija yra plačiai naudojama įvairiuose optiniuose prietaisuose tam, kad būtų atskirti skirtingos spalvos signalai erdvėje. Kampinė dispersija gali būti sąlygota ir medžiaginės dispersijos. Geriausias to pavyzdys – vaivorykštė, kur skirtingų spalvų šviesos spinduliai iš vandens lašo iškeliauja skirtingais kampais, tuo būdu atsiranda kampinė dispersija.

Veikimas (Niutono eksperimentas) 

Siauras baltas šviesos spindulių pluoštas, kritęs į stiklinės prizmės briauną, lūžta link prizmės pagrindo. Kadangi prizmė pagaminta iš stiklo, kiekviena skirtingo dažnio banga dėl skirtingo lūžio rodiklio lūžta skirtingu negu kitos spalvos banga kampu. Dėl šios priežasties skirtingos spalvos keliauja skirtingais kampais, taip iš baltos šviesos spindulių pluošto atsiskiria jį sudarantys skirtingų spalvų pluošteliai. Praeidami prizmės briauną skirtingų spindulių šviesos spinduliai dar kartą lūžta link prizmės pagrindo. Tokiu būdu kitoje prizmės pusėje skirtingais kampais keliaus skirtingos spalvos. Jei tų spindulių kelyje patalpintume baltą popieriaus lapą, pamatytume paveikslą, vadinamą spektru. Šviesos spektrą susitarta dalinti į šias spalvas: raudoną, oranžinę, geltoną, žalią, žydrą, mėlyną, violetinę. Spektre visos spalvos palaipsniui pereina viena į kitą. Šį eksperimentą pirmąsyk atliko ir aprašė Izaokas Niutonas.

Dispersijos dydžiai 

Mažiausiai lūžta raudoni spinduliai: nuo pradinės krypties jų nukrypimo kampas lygus δr = (nr-1)α, čia nr – raudonos spalvos spindulio lūžimo rodiklis, o α – prizmės laužiamasis kampas. Daugiausiai lūžta violetiniai, jų nukrypimo kampas δv= (nv – 1)α. Kaip jau minėta, skirtingų spalvų šviesos spinduliai skiriasi bangų ilgiais (λ = 0,75–0,4μ) ir skirtingais lūžio rodikliais. Tarp spektro kraštinių spalvų spindulių esantį kampą vadiname dispersijos kampu δ. Dispersijos kampas nusako spektro plotį:

δ = δ v − δ Γ = (nv – nr)× α

Lūžio rodiklių skirtumas nv – nΓ kiekybiškai ir apibūdina medžiagos dispersiją. Tačiau medžiagos dispersijos matu yra priimta laikyti medžiagos lūžimo rodiklio pasikeitimo ir Δλ santykį: Δn/Δλ. Šis santykis nusako vidutinę medžiagos dispersijos reikšmę, o tikrąją medžiagos dispersijos reikšmę nusakome dydžiu: dn santykis iš dλ.

Normalioji ir anomalioji dispersija 
Apie normalią dispersiją kalbama tada, kai didėjant šviesos bangos ilgiui, lūžio rodiklis mažėja:

Priešingu atveju () dipersija vadinama anomalia dispersija. Anomali dispersija būna tik labai siaurame bangų intervale (tam tikrose medžiagose tokių intervalų gali apskritai nebūti, arba gali būti keli intervalai).

Šviesos dispersijos elektroninė teorija 
Tai teorija, paaiškinanti medžiaginės dispersijos priežastis. Pagrindiniai teiginiai yra tokie.

Medžiagos elektronai ar jonai, veikiami šviesos (t. y. elektromagnetinės bangos), virpa dažniu ω (lygiu bangos dažniui). Parodoma, kad šviesos lūžio rodiklis gali būti aprašomas tokia formule:

,

kur 
ω0,i – medžiagos molekulių/atomų savųjų virpesių dažniai, priklausantys nuo medžiagos, 
e – elektrono krūvis, 
n0,i – elektringųjų dalelių koncentracija. 

Kai ω artėja prie ω0i, yra anomalioji dispersija.

Apibendrinta aukštų dispersijos eilių formuluotė – Lah-Laguerre'o optika 
Chromatinės dispersijos aprašymas perturbacijos būdu, naudojant Teiloro koeficientus, yra naudingas sprendžiant optimizavimo uždavinius, kai reikia subalansuoti kelių skirtingų sistemų dispersiją. Pavyzdžiui, chirpinių impulsų lazeriniuose stiprintuvuose, siekiant išvengti optinių pažeidimų, impulsai pirmiausia ištempiami laike naudojant tempiklį. Tada stiprinimo procese impulsai neišvengiamai sukaupia tiesinę ir netiesinę fazę, einančią per medžiagas. Ir galiausiai impulsai suspaudžiami įvairių tipų kompresoriais. Siekiant panaikinti bet kokias sukauptoje fazėje likusias aukštesnes eilutes, paprastai matuojamos ir subalansuojamos atskiros eilutės. Tačiau vienalytėms sistemoms toks perturbuojamasis aprašymas dažnai nereikalingas (t. y. sklidimas bangolaidžiais). 
Dispersijos eilės buvo apibendrintos skaičiavimams patogiu būdu, Lah-Laguerre'o tipo transformacijų pavidalu.

Dispersijos eiliškumą apibrėžia fazės arba bangos vektoriaus Teiloro plėtinys.

  

Dispersijos sąryšiai bangovektoriui  ir fazei
 galima išreikšti taip:

, 

Bet kurios diferencijuojamos funkcijos  išvestinės bangos ilgio arba dažnio erdvėje nurodomos per Laho transformaciją kaip:

     
    

Transformacijos matricos elementai yra Lah koeficientai:  

Užrašyta GDD, pirmiau pateikta išraiška teigia, kad konstanta, kurios bangos ilgis GGD, turės nulį aukštesnių eilių. Aukštesnieji laipsniai, apskaičiuoti pagal GDD, yra tokie:
   

Lūžio rodiklį  arba optinį kelią  pakeitus lygtimi (2) į lygtį (1), gaunamos uždaros formos dispersijos eilių išraiškos. Apskritai  dispersijos eilės POD yra neigiamos antros eilės Lagerio tipo transformacija:

    
       

Transformacijų matricos elementai yra be ženklo Laguerre'o koeficientai, kurių eilė minus 2, ir yra tokie:     

Pirmieji dešimt dispersijos eilių, aiškiai užrašytų bangos vektoriui, yra šios:

   
        
Grupinis lūžio rodiklis  apibrėžiamas taip: .

 

   

  

   

   

  
   
        

    
Pirmąsias dešimt dispersijos eilių, užrašytų fazei , galima išreikšti kaip bangos ilgio funkciją naudojant Laho transformacijas (lygtis (2)) taip:

Šaltiniai 

Optiniai reiškiniai