Disperzija (optika)

Iz testwiki
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Po prehodu bele svetlobe skozi optično prizmo se zaradi odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine na drugi strani pojavi cel spekter barv (mavrico).

Predloga:Drugi pomeni

Disperzíja ali razklòn je v optiki pojav, ki se kaže v tem, da je fazna hitrost valovanja (v splošnem elektromagnetnega valovanja in tudi poljubnega valovanja) odvisna od frekvence.[1] Včasih se ta vrsta odvisnosti imenuje tudi kromatična disperzija. Nastane zaradi tega, ker je lomni količnik odvisen od valovne dolžine svetlobe (frekvence). Opazi se lahko tudi disperzijo skupinske hitrosti.

Pojav je odkril Isaac Newton (1642–1727) okoli leta 1672, pojasnili pa so ga mnogo let pozneje.

Najenostavnješi zgled za prikaz disperzije je prehod bele svetlobe preko optične prizme (glej sliko na desni strani). Najbolj znan pojav, ki nastane zaradi disperzije svetlobe, je mavrica. Posledica disperzije je tudi kromatična aberacija, ki je ena izmed napak optičnih naprav.

Disperzija fazne hitrosti

Fazna hitrost je določena kot vp=ωk. Pokazatelj odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine je dn(λ)dλ ali disperzija fazne hitrosti. Kadar je ta vrednost negativna, je disperzija normalna. Kadar pa je pozitivna, se govori o nenormalni disperziji. Pri normalni disperziji je torej:

dndλ<0,

To pomeni, da vrednost lomnega količnika pada kadar valovna dolžina svetlobe raste. To pomeni, da je lomni količnik rdeče svetlobe manjši od lomnega količnika rumene svetlobe, ta pa je manjši od lomnega količnika modre svetlobe. Fazna hitrost svetlobe v poljubnem sredstvu je podana z:

v=cn,

kjer je:

V splošnem je lomni količnik funkcija frekvence n=n(ν) oziroma valovne dolžine n=n(λ). Oblika funkcije je odvisna od snovi. Opiše se s Cauchyjevo in tudi s Sellmeierjevo enačbo.

Skupinska hitrost pove kako hitro se gibljejo spremembe v amplitudi valovanja.

Disperzija skupinske hitrosti

Če se skupinsko hitrost označi z vg, potem velja naslednja zveza med fazno in skupinsko hitrostjo:

vg=vpλdvpdλ,

kjer je:

Skupinska hitrost je določena kot vg=ωk.

Skupinska hitrost običajno tudi določa, kako hitro se giblje energija vzdolž smeri gibanja valovanja. Lahko se tudi reče, da pove, kako hitro se giblje sprememba amplitude (znana tudi kot ovojnica valovanja)

Splošna formulacija visokih redov disperzije – Lah-Laguerrova optika

Opis kromatične disperzije na perturbativen način s Taylorjevimi koeficienti je koristen za optimizacijske probleme, pri katerih je treba uravnotežiti disperzijo iz več različnih sistemov. Na primer, v laserskih ojačevalnikih s kirpskimi impulzi se impulzi najprej časovno raztegnejo z raztegovalnikom, da se preprečijo optične poškodbe. Nato se v procesu ojačitve impulzi neizogibno kopičijo v linearni in nelinearni fazi, ki prehaja skozi materiale. In nazadnje se impulzi stisnejo v različnih vrstah kompresorjev. Za izničenje morebitnih preostalih višjih redov v nakopičeni fazi se običajno posamezni redi izmerijo in uravnotežijo. Vendar pri enotnih sistemih takšen perturbacijski opis pogosto ni potreben (npr. širjenje v valovodih). Disperzijski redi so bili posplošeni na računsko prijazen način v obliki transformacij tipa Lah-Laguerre.[2][3]

Disperzijski redi so določeni s Taylorjevim razvojem faze ali valovnega vektorja.

φ(ω)=φ |ω0+ φω|ω0(ωω0)+12 2φω2|ω0(ωω0)2 ++1p! pφωp|ω0(ωω0)p+

k(ω)=k |ω0+ kω|ω0(ωω0)+12 2kω2|ω0(ωω0)2 ++1p! pkωp|ω0(ωω0)p+

Disperzijska razmerja za valovanje k(ω)=ωcn(ω) in fazo φ(ω)=ωc𝑂𝑃(ω) lahko izrazimo kot:

pωpk(ω)=1c(pp1ωp1n(ω)+ωpωpn(ω)) , pωpφ(ω)=1c(pp1ωp1𝑂𝑃(ω)+ωpωp𝑂𝑃(ω))(1)

Odvodi vsake diferencirane funkcije f(ω|λ) v prostoru valovne dolžine ali frekvence so določeni z Lahovo transformacijo kot:

pωpf(ω)=(1)p(λ2πc)pm=0p𝒜(p,m)λmmλmf(λ) , pλpf(λ)=(1)p(ω2πc)pm=0p𝒜(p,m)ωmmωmf(ω)(2)

Elementi matrike transformacije so Lahovi koeficienti: 𝒜(p,m)=p!(pm)!m!(p1)!(m1)!

Zgornji izraz, zapisan za GDD, pravi, da ima konstanta z valovno dolžino GGD nič višjih redov. Višji redi, ocenjeni iz GDD, so: pωpGDD(ω)=(1)p(λ2πc)pm=0p𝒜(p,m)λmmλmGDD(λ)

Če enačbo (2), izraženo za lomni količnik n ali optično pot OP, nadomestimo z enačbo (1), dobimo zaprte izraze za disperzijske redove. Na splošno je pth disperzijski red POD Laguerrova transformacija negativnega reda dva:

POD=dpφ(ω)dωp=(1)p(λ2πc)(p1)m=0p(𝓅,𝓂)(λ)mdmOP(λ)dλm , POD=dpk(ω)dωp=(1)p(λ2πc)(p1)m=0p(𝓅,𝓂)(λ)mdmn(λ)dλm

Matrični elementi transformacij so nepodpisani Laguerrovi koeficienti reda minus 2 in so podani kot: (p,m)=p!(pm)!m!(p2)!(m2)!

Prvih deset disperzijskih redov, eksplicitno zapisanih za valovni vektor, je naslednjih:

𝐺𝐷=ωk(ω)=1c(n(ω)+ωn(ω)ω)=1c(n(λ)λn(λ)λ)=vgr1

Skupinski lomni količnik ng je definiran kot: ng=cvgr1.

𝐺𝐷𝐷=2ω2k(ω)=1c(2n(ω)ω+ω2n(ω)ω2)=1c(λ2πc)(λ22n(λ)λ2)

𝑇𝑂𝐷=3ω3k(ω)=1c(32n(ω)ω2+ω3n(ω)ω3)=1c(λ2πc)2(3λ22n(λ)λ2+λ33n(λ)λ3)

𝐹𝑂𝐷=4ω4k(ω)=1c(43n(ω)ω3+ω4n(ω)ω4)=1c(λ2πc)3(12λ22n(λ)λ2+8λ33n(λ)λ3+λ44n(λ)λ4)

𝐹𝑖𝑂𝐷=5ω5k(ω)=1c(54n(ω)ω4+ω5n(ω)ω5)=1c(λ2πc)4(60λ22n(λ)λ2+60λ33n(λ)λ3+15λ44n(λ)λ4+λ55n(λ)λ5)

𝑆𝑖𝑂𝐷=6ω6k(ω)=1c(65n(ω)ω5+ω6n(ω)ω6)=1c(λ2πc)5(360λ22n(λ)λ2+480λ33n(λ)λ3+180λ44n(λ)λ4+24λ55n(λ)λ5+λ66n(λ)λ6)

𝑆𝑒𝑂𝐷=7ω7k(ω)=1c(76n(ω)ω6+ω7n(ω)ω7)=1c(λ2πc)6(2520λ22n(λ)λ2+4200λ33n(λ)λ3+2100λ44n(λ)λ4+420λ55n(λ)λ5+35λ66n(λ)λ6+λ77n(λ)λ7)

𝐸𝑂𝐷=8ω8k(ω)=1c(87n(ω)ω7+ω8n(ω)ω8)=1c(λ2πc)7(20160λ22n(λ)λ2+40320λ33n(λ)λ3+25200λ44n(λ)λ4+6720λ55n(λ)λ5+840λ66n(λ)λ6++48λ77n(λ)λ7+λ88n(λ)λ8)

𝑁𝑂𝐷=9ω9k(ω)=1c(98n(ω)ω8+ω9n(ω)ω9)=1c(λ2πc)8(181440λ22n(λ)λ2+423360λ33n(λ)λ3+317520λ44n(λ)λ4+105840λ55n(λ)λ5+17640λ66n(λ)λ6++1512λ77n(λ)λ7+63λ88n(λ)λ8+λ99n(λ)λ9)

𝑇𝑒𝑂𝐷=10ω10k(ω)=1c(109n(ω)ω9+ω10n(ω)ω10)=1c(λ2πc)9(1814400λ22n(λ)λ2+4838400λ33n(λ)λ3+4233600λ44n(λ)λ4+1693440λ55n(λ)λ5++352800λ66n(λ)λ6+40320λ77n(λ)λ7+2520λ88n(λ)λ8+80λ99n(λ)λ9+λ1010n(λ)λ10)

Eksplicitno, zapisano za fazo φ, lahko prvih deset disperzijskih redov izrazimo kot funkcijo valovne dolžine z uporabo Lahove transformacije (enačba (2)) kot:

pωpf(ω)=(1)p(λ2πc)pm=0p𝒜(p,m)λmmλmf(λ) , pλpf(λ)=(1)p(ω2πc)pm=0p𝒜(p,m)ωmmωmf(ω)


φ(ω)ω=(2πcω2)φ(ω)λ=(λ22πc)φ(λ)λ

2φ(ω)ω2=ω(φ(ω)ω)=(λ2πc)2(2λφ(λ)λ+λ22φ(λ)λ2)

3φ(ω)ω3=(λ2πc)3(6λφ(λ)λ+6λ22φ(λ)λ2+λ33φ(λ)λ3)

4φ(ω)ω4=(λ2πc)4(24λφ(λ)λ+36λ22φ(λ)λ2+12λ33φ(λ)λ3+λ44φ(λ)λ4)

5φ(ω)ω5=(λ2πc)5(120λφ(λ)λ+240λ22φ(λ)λ2+120λ33φ(λ)λ3+20λ44φ(λ)λ4+λ55φ(λ)λ5)

6φ(ω)ω6=(λ2πc)6(720λφ(λ)λ+1800λ22φ(λ)λ2+1200λ33φ(λ)λ3+300λ44φ(λ)λ4+30λ55φ(λ)λ5 +λ66φ(λ)λ6)

7φ(ω)ω7=(λ2πc)7(5040λφ(λ)λ+15120λ22φ(λ)λ2+12600λ33φ(λ)λ3+4200λ44φ(λ)λ4+630λ55φ(λ)λ5+42λ66φ(λ)λ6+λ77φ(λ)λ7)

8φ(ω)ω8=(λ2πc)8(40320λφ(λ)λ+141120λ22φ(λ)λ2+141120λ33φ(λ)λ3+58800λ44φ(λ)λ4+11760λ55φ(λ)λ5+1176λ66φ(λ)λ6+56λ77φ(λ)λ7++λ88φ(λ)λ8) 9φ(ω)ω9=(λ2πc)9(362880λφ(λ)λ+1451520λ22φ(λ)λ2+1693440λ33φ(λ)λ3+846720λ44φ(λ)λ4+211680λ55φ(λ)λ5+28224λ66φ(λ)λ6++2016λ77φ(λ)λ7+72λ88φ(λ)λ8+λ99φ(λ)λ9)

10φ(ω)ω10=(λ2πc)10(3628800λφ(λ)λ+16329600λ22φ(λ)λ2+21772800λ33φ(λ)λ3+12700800λ44φ(λ)λ4+3810240λ55φ(λ)λ5+635040λ66φ(λ)λ6++60480λ77φ(λ)λ7+3240λ88φ(λ)λ8+90λ99φ(λ)λ9+λ1010φ(λ)λ10)

Glej tudi

Sklici

Predloga:Sklici

Viri

Predloga:Normativna kontrola