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].
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 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:
,
где
— 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 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[3][4].
Значения дисперсии минералов и других веществ[4]
| Название минерала |
nB − nG |
nC − nF
|
| 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
|
| Гадолиний-галлиевый гранат (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 |
—
|
| Иттрий-алюминиевый гранат (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[5][6].
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:
Первые десять порядков дисперсии, записанные в явном виде для волнового вектора:
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
Примечания
- ↑ Егоров Н. Г. Светорассеяние // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
- ↑ What is gemstone dispersion? International Gem Society (GemSociety.org). Дата обращения: 25 августа 2025.
- ↑ 1 2 Schumann W. Gemstones of the World (англ.). — Ed. 4th, newly revised & expanded. — Sterling Publishing Company, 2009. — P. 41–42. — ISBN 978-1-4027-6829-3.
- ↑ Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (24 октября 2022). Analytical Lah-Laguerre optical formalism for perturbative chromatic dispersion. Optics Express (англ.). 30 (22): 40779—40808. Bibcode:2022OExpr..3040779P. doi:10.1364/OE.457139.
{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (дата и год) (ссылка)
- ↑ Popmintchev, Dimitar; Wang, Siyang; Xiaoshi, Zhang; Stoev, Ventzislav; Popmintchev, Tenio (30 августа 2020). Theory of the Chromatic Dispersion, Revisited. arXiv (англ.). Bibcode:2020arXiv201100066P. doi:10.48550/ARXIV.2011.00066.
Литература
- Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка, формулы, термины, рецепты. — Изд. 4-е, сокр. — М.: Искусство, 1977.
Ссылки
Ссылки на внешние ресурсы |
|---|
| |
|---|
| В библиографических каталогах | |
|---|