引入

白光通过棱镜后展开成彩虹色,为什么不同颜色的光偏折角度不同?

为什么蓝光比红光更容易被散射,天空是蓝的?

为什么光纤传输的信号会随着距离变宽、变模糊?

色散的本质是折射率不再是常数,而是波长的函数。这一条把光学和介质的微观结构直接连起来,也决定了光纤通信的带宽极限。

正文

定义

光的色散是介质的折射率随光的波长(或频率)变化,导致不同波长的光在介质中传播方向或速度不同的现象。

正常色散与反常色散

类型特征发生区域
正常色散波长越长,折射率越小远离吸收带的透明区
反常色散波长越长,折射率越大吸收带附近

正常色散可用科西经验公式描述:

其中 、、 是材料常数。波长增大时 减小,符合正常色散。

物理机制

介质中的电子在外加光场作用下做受迫振动。电子有固有振动频率(对应吸收波长):

光波频率相对固有频率电子响应折射率表现
远低于同相振动正常色散,变化平缓
接近共振,振幅急剧增大吸收强,折射率异常变化
远高于跟不上折射率趋近 1

反常色散出现在吸收带附近,正是因为光波频率接近电子共振频率。所以“反常”其实是共振的必然结果,不是异常。

相速度与群速度

在色散介质中,两个速度要区分:

速度定义物理意义
相速度 单色波等相位面的传播速度
群速度 波包(能量、信息)的传播速度

正常色散区 ;反常色散区可能出现 ,但这不违反相对论,因为群速度不携带信息本身。

光脉冲在色散介质中传播时,不同频率分量速度不同,脉冲会展宽。这是光纤传输距离受限的主要原因。

棱镜分光与光栅分光的区别

项目棱镜光栅
分光原理折射率随波长变化衍射和干涉
短波偏折更大更小
色散方向紫光偏折大红光偏折大
分辨本领受材料和尺寸限制可通过增加刻线提高

两者色散方向相反,这一点在光谱仪设计中常被利用。

化学中的关联

应用说明
折射率测定折光仪测液体折射率,是有机物纯度的快速检验手段
棱镜光谱仪早期光谱仪用棱镜分光,现代多用光栅
光纤通信色散导致脉冲展宽,是带宽限制因素
色散力分子间范德华力中的色散力,本质上也与频率相关的极化率有关

常见误区

错误说法问题
“色散只发生在棱镜中”任何介质都有色散,只是强弱不同
“反常色散是实验误差”是吸收带附近的真实现象
“群速度可以超光速就违反相对论”群速度不等同于信息传播速度

引出

色散说明折射率不是固定值,而是频率的函数。

这与介电极化的频率依赖性是一致的:介电常数在高频(光频)和低频(静电场)下取值不同。

为什么光纤通信要用特定波长的光,并在色散零点附近工作?