Disperzija (fizika)

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

U disperzivnoj prizmi, disperzija materijala (indeks prelamanja koji zavisi od talasne dužine) uzrokuje prelamanje različitih boja pod različitim uglovima, razdvajajući belu svetlost u spektar.
Kompaktna fluorescentna lampa viđena kroz Amicijevu prizmu
Razlaganje svetlosti prizmom.

Dispersija svetlosti, u širem smislu, jeste zavisnost optičkih osobina jedne sredine od frekvencije svetlosti koja prolazi kroz tu sredinu, tj. zavisnost indeksa prelamanja te sredine od kružne frekvencije date svetlosti.[1]

Kriva koja pokazuje tu zavisnost naziva se kriva dispersije, u kojoj intervali I i III čine oblast normalne dispersije u kojoj indeks prelamanja n raste sa porastom kružne frekvencije, a interval II je oblast anomalne dispersije u kojoj indeks prelamanja sa porastom kružne frekvencije opada.

U istoj sredini, različite monohromatske svetlosti (tj. monohromatske svetlosti različitih talasnih dužina) imaju različite brzine i različite indekse prelamanja.

Razlaganje bele svetlosti na spektar[uredi | uredi izvor]

Razlaganje bele svetlosti se lako uočava ako se njen snop usmeri na jednu od bočnih strana trostrane staklene prizme (Njutnov ogled). Posle prelamanja kroz prizmu, na zaklonu se dobija spektar duginih boja (staklo inače prelama u oblasti normalne dispersije, pa za veću kružnu frekvenciju svetlosti, odnosno za njenu manju talasnu dužinu, skretni ugao svetlosti je veći).

Zbog toga crvena svetlost, koja ima manju frekvenciju, ima i manji skretni ugao, obeležen sa δcr, od ljubičaste svetlosti veće frekvencije, čiji je ugao skretanja obeležen sa δlj. Ove dve boje su granične boje disperzionog spektra. Ugao između njihovih pravaca naziva se disperzioni ugao D, i on je jednak razlici skretnih uglova ljubičaste i crvene svetlosti, dakle D = δlj - δlj.

Po izrazu ua prelamanje monohromatske svetlosti kroz tanku prizmu, to je dalje D = (nlj - ncr) • α, pri čemu su nlj i ncr indeksi prelamanja prizme za ljubičastu i crvenu boju, a α je ugao prizme. Razlika ova dva navedena indeksa obično se uzima kao kvantitativno obeležje dispersije neke providne sredine. Osim razlaganja bele svetlosti na spektar, moguće je postići i obrnutu pojavu slaganja bele svetlosti od komponenti njenog spektra tako što se druga prizma stavi iza prve, tako da se nalazi na putu razložene bele svetlosti.

Disperzija višeg reda u širokom propusnom opsegu[uredi | uredi izvor]

Kada je širok opseg frekvencija (široka širina opsega) prisutan u jednom talasnom paketu, kao što je ultrakratki impuls ili čirpusan impuls ili drugi oblici prenosa proširenog spektra, možda neće biti tačno da se disperzija aproksimira konstantom preko celog propusnog opseg, a složeniji proračuni su potrebni za izračunavanje efekata kao što je širenje impulsa.

Konkretno, gore definisani parametar disperzije D se dobija iz samo jednog izvoda grupne brzine. Viši derivati su poznati kao disperzija višeg reda.[2][3] Ovi pojmovi su jednostavno proširenje u Tejlorov red disperzione relacije β(ω) sredine ili talasovoda oko neke određene frekvencije. Njihovi efekti se mogu izračunati numeričkom procenom Furijeove transformacije talasnog oblika, integracijom aproksimacija omotača višeg reda sa sporim variranjem, metodom podeljenih koraka (koja može koristiti tačnu relaciju disperzije umesto Tejlorovog niza), ili direktnom simulacijom punih Maksvelovih jednačina umesto približne jednačine omotača.

Generalizovana formulacija visokog reda disperzije – Lah-Legerova optika[uredi | uredi izvor]

Opis hromatske disperzije na perturbativan način preko Tejlorovih koeficijenata je povoljan za probleme optimizacije gde disperziju iz nekoliko različitih sistema treba izbalansirati. Na primer, kod laserskih pojačivača sa čirpom impulsa, impulsi se prvo rastežu u vremenu pomoću nosila da bi se izbeglo optičko oštećenje. Zatim u procesu pojačanja, impulsi neizbežno akumuliraju linearnu i nelinearnu fazu prolazeći kroz materijale. I na kraju, impulsi bivaju komprimovani u raznim tipovima kompresora. Da bi st uklonile svi rezidualni viši redovi u akumuliranoj fazi, obično se mere i balansiraju pojedinačni redovi. Međutim, za uniformne sisteme, takav perturbativni opis često nije potreban (tj. širenje u talasovodima). Redosledi disperzije su generalizovani na računski prihvatljiv način, u obliku transformacija Lah-Legerovog tipa.[4][5]

Redosled disperzije je definisan Tejlorovom ekspanzijom faze ili talasnog vektora.

The dispersion relations for the wavector and the phase can be expressed as:

,

Relacije disperzije za talasni talas u prostoru talasne dužine i frekvencije je specificirana putem Lahove transformacije kao:

Matrični elementi transformacije su Lahovi koeficijenti:

Napisan za GGD, gornji izraz nalaže da će konstanta sa talasnom dužinom GGD, imati nula viših redova. Viši redovi koji se procenjuju iz GGD su:

Zamena jednačina (2) izražena za indeks prelamanja ili optički put u jednačinu (1) rezultira izrazima zatvorenog oblika za redosled disperzije. Generalno, red disperzije POD je Legerov tip transformacije od negativnog reda dva:

Matrični elementi transformacija su neoznačeni Lagerovi koeficijenti reda minus 2 i dati su kao:

Prvih deset redova disperzije, eksplicitno napisanih za talasni vektor, su:

Grupni indeks prelamanja je definisan kao: .

Eksplicitno, napisano za fazu , prvih deset redova disperzije može se izraziti kao funkcija talasne dužine koristeći Lahovu transformaciju (jednačina (2)) kao:

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Born, Max; Wolf, Emil (oktobar 1999). Principles of Optics. Cambridge: Cambridge University Press. str. 14–24. ISBN 0-521-64222-1. 
  2. ^ Chromatic Dispersion, Encyclopedia of Laser Physics and Technology (Wiley, 2008).
  3. ^ Mai, Wending; Campbell, Sawyer D.; Whiting, Eric B.; Kang, Lei; Werner, Pingjuan L.; Chen, Yifan; Werner, Douglas H. (2020-10-01). „Prismatic discontinuous Galerkin time domain method with an integrated generalized dispersion model for efficient optical metasurface analysis”. Optical Materials Express (na jeziku: engleski). 10 (10): 2542—2559. Bibcode:2020OMExp..10.2542M. ISSN 2159-3930. doi:10.1364/OME.399414Slobodan pristup. 
  4. ^ Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (2022-10-24). „Analytical Lah-Laguerre optical formalism for perturbative chromatic dispersion”. Optics Express (na jeziku: engleski). 30 (22): 40779—40808. Bibcode:2022OExpr..3040779P. doi:10.1364/OE.457139Slobodan pristup. 
  5. ^ Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (2020-08-30). „Theory of the Chromatic Dispersion, Revisited”. arXiv (na jeziku: engleski). Bibcode:2020arXiv201100066P. doi:10.48550/ARXIV.2011.00066Slobodan pristup. 

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]