|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Аномальная дисперсия |
 | |
Анимация
0
Описание
Показатель преломления n прозрачных сред (в той или иной области оптического спектра), как правило, увеличивается при уменьшении длины l волны света. Такое явление, открытое И.Ньютоном, известно как нормальная дисперсия среды. Однако, вблизи полос поглощения электромагнитных волн атомами или молекулами среды (вещества) при уменьшении длины волны света l изменение показателя преломления n имеет более сложный характер. Так при уменьшении l и по мере её приближения к той или иной полосе поглощения света, распределение которых по оптическому спектру является специфическим для каждого вещества, сначала наблюдается уменьшение показателя преломления n, затем начинает увеличиваться (рис. 1).
Рис. 1
Обозначения:
1 - кривая изменения показателя преломления n в зависимости от длины волны света l;
2 - кривая поглощения в веществе (краситель цианина).
Такой характер изменения показателя преломления n с изменением длины волны света, проходящего через вещество, называется аномальной дисперсией.
На рис. 2 для упрощения рассмотрена тонкая призма с углом при вершине a, неограниченная в направлении перпендикулярном плоскости рисунка, заполненная парами йода, на которую в направлении, параллельном оси OZ и перпендикулярном её выходной плоскости (плоскости XOY), падает линейно - поляризованная (это предположение делается исключительно для упрощения рассуждений и не ограничивает общего характера явления аномальной дисперсии, справедливого для пучка света с произвольным состоянием поляризации, длина волны которого находится в полосе поглощения) световая волна, электрический вектор E0 которой колеблется в направлении оси OX, а в направлении оси OY колеблется вектор напряжённости магнитного поля H0.
Наблюдение аномальной дисперсии при прохождении света через призму, наполненной парами йода
Рис. 2
Обозначения:
1 - тонкая призма с углом при вершине a, наполненная парами йода;
2 - непрозрачный экран;
3 - падающий на призму пучок белого света, интенсивность которого равна I0;
4 - преломлённая синяя компонента падающего света, интенсивность которого равна Ib;
5 - преломлённая красная компонента падающего света, интенсивность которого равна Ir .
В парах йода синие лучи преломляются меньше, чем красные, а лучи, соответствующие промежуточным спектральным составляющим сильно поглощаются. По этой причине после прохождения призмы на экране, помещённом за призмой параллельно её входной плоскости, будут наблюдаться два окрашенных в синий и красный цвет пятна (точки), причём, синее пятно расположено над красным.
Для объяснения явления аномальной дисперсии используются классические представления о взаимодействии электромагнитных волн с веществом, в соответствии с которыми под действием электрического поля световой волны. То есть в оптической и ультрафиолетовой области спектра, электроны атомов или молекул вещества совершают вынужденные колебания с частотой, равной частоте n проходяшей через вещество световой волны.
Отметим, что в инфракрасной области спектра основное значение имеют колебания ионов. В результате таких колебаний с частотой n изменяется средний дипольный момент единицы объёма вещества, а следовательно и диэлектрическая проницаемость e, определяющая в соответствии с формулой Максвелла показатель преломления , величина которого, как следует из уравнений вынужденных колебаний, зависит не только от n, но и от т. н. резонансной частоты n0 колебаний электронов/ионов, а также и от коэффициента затухания g, обуславливающего поглощение света веществом:
, (1)
где N - число частиц в единице объёма;
m - масса электрона;
g - коэффициент затухания.
Из этой формулы следует, что вдали от резонансной частоты n0 с ростом частоты n (с уменьшением длины волны l) показатель преломления n увеличивается. Напротив, при приближении к резонансной частоте n ® n0 показатель преломления уменьшается в некоторой полосе частот (рис. 1), называемой полосой поглощения вещества.
Это означает, что в полосе поглощения вещества его показатель преломления n(l1), соответствующий некоторой длине волны света l1, будет больше, чем n(l2), соответствующий l2 < l1, т. е.:
n(l1) < n(l2). (2)
Это и есть суть явления аномальной дисперсии.
Явление аномальной дисперсии впервые наблюдалась Леру в 1861г. Классическая теория, из которой следовало объяснение явления аномальной дисперсии, была разработана в 1880г. одновременно голландским физиком Г.А. Лорентцом и датским физиком Л. Лоренцом без использования максвелловских представлений о электромагнитной природе свете.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Один из наиболее распространенных примеров использования в технике аномальной дисперсии - устройство, представляющее собой светофильтр с устранённой хроматической аберрацией объектива, на основе явления аномальной дисперсии света показано на рис. 3.
Светофильтр ахромат на основе явления аномальной дисперсии
Рис. 3
Обозначения:
1 - линза 1;
2 - линза 2.
Устройства с устранённой хроматической аберрацией известны как ахроматы, основу которых составляет сложная линза, состоящую из двух, склеенных линз (собирающей и рассеивающей), каждая из которых изготовлена неодинаковых по дисперсионным свойствам стекла. Материалы линз подбираются так, чтобы для света каких либо двух длин волн полностью устранить хроматическую аберрацию, а для остальных составляющих значительно ослабить её.
Если в качестве материала одной из линз ахроматического объектива будет выбрано вещество, обладающее аномальной дисперсией и сильным поглощением тех или иных спектральных компонент проходящего светового пучка, то указанное выше устройство может быть использовано в качестве светофильтра - ахромата.
Явление аномальной дисперсии света широко используется в оптических приборах, при создании спектральных приборов, ахроматических линз или призм, для уничтожения последствий явления дисперсии света, вызавающей хроматическую аберацию.
Реализации эффекта
Описание опыта по наблюдению аномальной дисперсии проведено в содержательной части (опыт с газовым йодным клином).
Литература
1. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984. - С. 167-168.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - С. 99-105.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - С. 517-538.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |