光的色散

在光学中，色散是指一道光中，光的相速度随着频率而改变。拥有上述特性的介质，我们称为色散性介质。提到色散，通常是指电磁波(包含可见光)的性质，但此性质可以推广至任何波动，例如声波与地震波的色散、波浪的色散、或是远距传递时传输线模型或光纤的色散。在光学中，一个重要且常见的的色散现象为透过三棱镜或是带有色差的透镜产生的光谱，不同颜色的光有着不同的折射角。在一些远距传输的应用中，我们可以不考虑波的绝对相位，而只考虑波包的传递，在此情况下我们必须计算波包的色散，也就是频率与不同群速度的波包的关系。彩虹可能是最常见的色散现象，其是由于色散造成白光在空间上分成不同波长(不同颜色)的部分。除此之外，色散亦发生在其他情况中，例如群速度色散造成波包在光纤中随着传输距离而消散。公元1666年，由牛顿所发现:太阳光(或日光灯等白色光)通过三棱镜折射后，会被折射分散成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种主要颜色的彩色光 → 称为光的色散，分散的可见光带称为可见光谱。自然光通过三棱镜后，因光的色散造成不同颜色（实质上是不同频率）的光折射到不同的方向，形成可见光谱大部分情况下，色差色散指的是材料色散，也就是材料的折射率随着频率而改变。在波导管中，有另一种色散称为波导色散，其中产生色散的原因是因为几何结构。广义来说，"波导"色散可以发生于波经过任何不均匀的结构，而不论波是否局限在特定空间中传递。在波导管里，两种色散会同时出现。在光纤中，此两种色散刚好互相抵销，因而可以传递特定波长的波，对于快速光纤通讯助益高。在光学上，材料色散有优点也有缺点。透过三棱镜，光的色散为制作光谱仪以及分光辐射计的基础。有时候也会透过全像光栅，来达成更显著的分光效果。然而，在透镜中的色散效应造成影像品质低落，在显微镜、望远镜及其他成像技术上可见一斑。在均匀介质中，波传递的相速度为c 为真空中的光速，而n为介质的折射率。对于不同波长的光，介质的折射率n(λ)也不同。这个关系式通常由阿贝数可以计算出，或是由柯西等式或Sellmeier等式的系数求得。由克拉莫-克若尼关系式，波长与实部折射率的关系与材料的吸收率有关，此吸收率由折射率的虚部(或称消光系数)。在非磁性物质中，克拉莫-克若尼关系式的χ为电极化率χe = n2 − 1.对于可见光，一般的透明物质：如果那么或可用以下表达式表示：在此状况下，此介质拥有正常频散。然而，当折射率随着波长增加而增加时(通常在紫外光区发现)，则介质被称为拥有反常频散。法国数学家柯西发现折射率和光波长的关系，可以用一个级数表示：其中B, C, D是三个柯西色散系数，由物质的种类决定。只需测定三个不同波长的光的折射率n(λ)，代入柯西色散公式中，便可得到三个联立方程式。解这组联立方程式就可以得到这种物质的三个柯西色散系数。有了三个柯西色散系数，就可以计算出其他波长的光的折射率，而不需要再进行测量。除了柯西色散公式之外，还有其他的色散公式，如：Hartmann色散公式、Conrady色散公式、Hetzberger色散公式等。在日光下使用一桶水和一片镜子就可以观察光的色散现象了。为了便于观察现象，实验中光路需要较大的出射角来增大色散角度。此演示实验中镜子起到调整日光出射水面角度的作用。