Quang học
Quang hình học > Quang học vật lý > Hiện tượng tán sắc và tán xạ

Bài chi tiết: Tán sắc và Tán xạ
Quá trình khúc xạ diễn ra trong giới hạn quang học vật lý, và khi bước sóng ánh sáng có độ lớn gần bằng khoảng cách đang xét đến thì lúc này xảy ra hiện tượng tán xạ. Loại tán xạ đơn giản nhất là tán xạ Thomson xảy ra khi sóng điện từ bị lệch bởi một hạt. Trong giới hạn tán xạ Thompson, khi bản chất sóng của hạt lấn át, ánh sáng bị tán sắc độc lập với tần số sóng, điều này ngược hẳn với tán xạ Compton khi nó phụ thuộc tần số và có tính chất chi phối bởi cơ học lượng tử, khi ánh sáng thể hiện bản chất hạt rõ hơn. Theo ý nghĩa thống kê, tán xạ đàn hồi của ánh sáng bởi một số lớn hạt có kích cỡ nhỏ hơn bước sóng ánh sáng được biết tới như là quá trình tán xạ Rayleigh trong khi quá trình tương tự đối với tán xạ bởi hạt có kích cỡ tương đương hoặc lớn hơn bước sóng ánh sáng được biết tới là tán xạ Mie với hiệu ứng Tyndall là kết quả được quan sát phổ biến. Một phần nhỏ ánh sáng tán xạ từ nguyên tử hoặc phân tử có thể trải qua tán xạ Raman, khi sự thay đổi tần số là do trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử. Tán xạ Brillouin xảy ra khi tần số ánh sáng thay đổi do vị trí thay đổi theo thời gian và sự chuyển động của vật liệu tỉ trọng lớn.
Sự tán sắc xảy ra khi các tần số ánh sáng khác nhau có vận tốc pha khác nhau, hoặc là do tính chất của vật liệu (tán sắc do vật liệu) hoặc do hình học của ống dẫn sóng quang học (tán sắc do ống dẫn sóng). Hiện tượng tán sắc hay gặp nhất là khi có sự giảm chiết suất cùng với tăng bước sóng, mà có thể quan sát thấy ở đa số vật liệu trong suốt. Hiện tượng này được gọi là "tán sắc thông thường". Nó xảy ra trong mọi chất điện môi, khi bước sóng nằm trong miền mà chất điện môi không hấp thụ ánh sáng. Trong miền bước sóng mà môi trường hấp thụ đáng kể, chiết suất có thể tăng theo bước sóng. Hiện tượng này gọi là "tán sắc dị thường".
Quang phổ màu sắc thu được thông qua lăng kính là một ví dụ của hiện tượng tán sắc thông thường. Tại bề mặt lăng kính, định luật Snell tiên đoán rằng ánh sáng tới một góc bằng θ so với pháp tuyến sẽ bị khúc xạ một góc arcsin(sin (θ) / n). Do vậy, ánh sáng lam, với chỉ số khúc xạ cao hơn, bị lệch mạnh hơn so với ánh sáng đỏ, với kết quả là hình thành lên các thành phần màu của bảy sắc cầu vồng.
Vật liệu tán sắc thường được đặc trưng bởi số Abbe, cho phép định lượng một cách đơn giản sự tán sắc trên cơ sở chỉ số khúc xạ ở ba bước sóng khác nhau. Sự tán sắc do ống dẫn sóng phụ thuộc vào hằng số lan truyền. Cả hai loại tán sắc làm sự thay đổi đặc trưng nhóm của sóng, đặc điểm mà gói sóng thay đổi với cùng tần số như của biên độ sóng. "Tán sắc do vận tốc nhóm" biểu hiện như là sự lan tỏa của "đường bao" tín hiệu của bức xạ và xác định bằng tham số độ trễ tán sắc nhóm:
với  v_{g} là vận tốc nhóm. Đối với môi trường đồng nhất, vận tốc nhóm là
với n là chỉ số khúc xạ (chiết suất), c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Từ đây thu được công thức đơn giản hơn cho tham số độ trễ tán sắc:
Nếu D nhỏ hơn 0, người ta nói môi trường có tính tán sắc dương hoặc tán sắc thông thường. Nếu D lớn hơn 0, môi trường có tính tán sắc âm. Nếu một xung ánh sáng lan truyền qua môi trường tán sắc thông thường, khi đó thành phần có tần số cao hơn sẽ lan truyền chậm hơn thành phần có tần số thấp hơn. Khi đó xung trở thành xung có tần số tăng dần, tức là tần số tăng theo thời gian. Điều này có nghĩa là phổ thoát ra khỏi lăng kính cho thấy ánh sáng đỏ bị khúc xạ ít nhất và ánh sáng lam và cực tím bị khúc xạ nhiều nhất. Ngược lại, nếu một xung lan truyền qua môi trường có tính sắc dị thường (tán sắc âm), các thành phần có tần số cao hơn sẽ di chuyển nhanh hơn thành phần có tần số thấp hơn, và xung trở thành xung có tần số giảm dần, hay tần số giảm dần theo thời gian.
Kết quả của hiện tượng tán sắc vận tốc nhóm, dù là tán sắc dương hay âm, ảnh hưởng quan trọng tới thời gian trải ra của xung tín hiệu. Điều này khiến cho kỹ thuật xử lý sự tán sắc là cực kỳ quan trọng trong hệ thống viễn thông quang học dựa trên sợi quang học, do nếu sự tán sắc quá lớn thì nhóm xung biểu thị thông tin sẽ trải ra theo thời gian và trộn lẫn nhau, khiến cho rất khó có thể chiết tách được thông tin.