¿Por qué la luz se dispersa en siete colores cuando pasa a través de un prisma?
La propiedad de que el índice de refracción de un material disminuye a medida que disminuye la frecuencia de la luz incidente (o aumenta la longitud de onda) se llama "dispersión". La imagen de la derecha muestra las curvas de dispersión de varios materiales ópticos.
Curva de dispersión de materiales ópticos
La dispersión se puede conseguir mediante instrumentos como prismas o rejillas que sirven como "sistemas de dispersión". Por ejemplo, un fino rayo de luz solar se puede dividir en siete colores de luz mediante un prisma: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Esto se debe a que el índice de refracción de varios colores de luz en colores complejos es diferente. [1] Cuando pasan a través del prisma, la dirección de propagación se desvía en diversos grados, por lo que se dispersan cuando salen del prisma.
Prisma de dispersión
Diagrama de dispersión
2 Razones características Editar
Dispersión
La dispersión puede traer a las personas una hermosa Aparece el arco iris, pero si se produce dispersión en un sistema de comunicación óptica, no es tan hermoso. En el término “pérdida” entendemos que la dispersión es una de las pérdidas en la transmisión por fibra óptica. Con la mejora continua de la tecnología de fabricación de fibra óptica, la pérdida de fibra óptica ya no juega un papel limitante importante en la distancia de transmisión de los sistemas de comunicación óptica y la dispersión se ha convertido en uno de los principales factores limitantes.
¿Qué es la dispersión? Cuando la señal del pulso óptico en el extremo de entrada de la fibra óptica se transmite a larga distancia, la forma de onda del pulso óptico se amplía en el dominio del tiempo en el extremo de salida de la fibra óptica. Este fenómeno se denomina dispersión. Tomemos como ejemplo el fenómeno de dispersión en fibra óptica monomodo, como se muestra en la Figura 1 a continuación:
Figura 1
El fenómeno de dispersión en fibra óptica monomodo
La dispersión causará interferencia entre símbolos que afectará la decisión correcta de la señal de pulso óptico en el extremo receptor, empeorará el rendimiento de la tasa de error de bits y afectará seriamente la transmisión de información.
La dispersión en la fibra óptica monomodo se debe principalmente a las diferentes velocidades de transmisión de los diferentes componentes de frecuencia en la señal óptica. Esta dispersión se denomina dispersión cromática. En la región donde se puede ignorar la dispersión cromática, la dispersión del modo de polarización también se convierte en la parte principal de la dispersión de la fibra monomodo.
Dispersión cromática
1. Introducción a la dispersión cromática: La dispersión cromática incluye dispersión de material y dispersión de guía de ondas. Dispersión del material: dado que el material de fibra óptica de vidrio de cuarzo tiene diferentes índices de refracción para diferentes longitudes de onda de luz y la fuente de luz tiene un cierto ancho espectral, diferentes longitudes de onda de luz causan diferentes velocidades de grupo, lo que resulta en la ampliación del pulso de luz. Dispersión de guía de onda: para un determinado modo de transmisión de fibra óptica, ensanchamiento del pulso causado por diferentes velocidades de grupo en diferentes longitudes de onda óptica. Está relacionado con el efecto de guía de ondas de la estructura de la fibra, por lo que también se le llama dispersión estructural.
¿Cuál de estas dos dispersiones es dominante? La dispersión del material es mayor que la dispersión de la guía de ondas. Según el cálculo de la dispersión, la dispersión del material puede ser cero en una determinada posición de longitud de onda. Esta longitud de onda se denomina longitud de onda de dispersión cero del material. Afortunadamente, esta longitud de onda se encuentra en la ventana de baja pérdida cerca de 1310 nm, como G.652, que es una fibra de dispersión cero.
Aunque los dispositivos ópticos se ven muy afectados por la dispersión, existe un valor de dispersión máximo que puede tolerarse (es decir, valor de tolerancia de dispersión). Mientras la dispersión generada esté dentro de la tolerancia, aún se puede garantizar una transmisión normal.
2. El impacto de la dispersión cromática: la dispersión cromática provoca principalmente efectos de ampliación del pulso y chirrido. La ampliación del pulso es la manifestación más importante del impacto de la dispersión de la fibra en el rendimiento del sistema. Cuando la distancia de transmisión excede la longitud de dispersión de la fibra óptica, el ensanchamiento del pulso es demasiado grande. En este momento, el sistema producirá graves interferencias entre códigos y errores de bits. La dispersión no sólo amplía el pulso, sino que también provoca una modulación de fase del pulso. Esta modulación de fase hace que diferentes partes del pulso tengan diferentes desviaciones de la frecuencia central y tengan diferentes frecuencias, que es el efecto chirrido del pulso.
El efecto chirrido dividirá las fibras ópticas en fibras ópticas de dispersión normal y fibras ópticas de dispersión anormal. En una fibra de dispersión normal, el componente de alta frecuencia del pulso está ubicado en el borde posterior del pulso, y el componente de baja frecuencia está ubicado en el borde frontal del pulso en una fibra de dispersión anómala, la de baja frecuencia; El componente de alta frecuencia está ubicado en el borde posterior del pulso y el componente de alta frecuencia está ubicado en el borde frontal del pulso. En la línea de transmisión, el uso racional de dos tipos de fibras ópticas puede compensar el efecto chirrido y eliminar el ensanchamiento de la dispersión del pulso.
3. Cómo eliminar el impacto de la dispersión cromática en el sistema DWDM:
Para el sistema DWDM, dado que el sistema se utiliza principalmente en la ventana de 1550 nm, si es óptico G.652. Se utiliza fibra, es necesario utilizar fibra de compensación de dispersión negativa (DCF) para que la dispersión de longitud de onda compense la dispersión y reduzca la dispersión total de toda la línea de transmisión.
Dispersión del modo de polarización
La dispersión del modo de polarización (PMD) es un fenómeno físico que existe en el campo de las fibras ópticas y los dispositivos ópticos.
El modo fundamental en la fibra monomodo tiene dos modos de polarización mutuamente ortogonales. Idealmente, los dos modos de polarización deberían tener la misma curva característica y propiedades de transmisión. Sin embargo, debido a la asimetría de la geometría y la presión, As. Como resultado, los dos modos de polarización tienen diferentes velocidades de transmisión, lo que genera retrasos de tiempo y PMD, como se muestra en la siguiente figura. La unidad de PMD suele ser ps/km.
Figura 2
En los sistemas de transmisión digital, PMD provocará separación y ampliación de pulsos, degradará la señal de transmisión y limitará la velocidad de transmisión de la portadora.
En comparación con otras dispersiones, la PMD es casi insignificante, pero no puede eliminarse por completo y sólo puede minimizarse desde dispositivos ópticos. En sistemas de velocidad ultraalta con anchos de pulso más estrechos, el impacto del PMD es mayor.
Dispersión de la guía de ondas
Ocurre porque la energía luminosa viaja a velocidades ligeramente diferentes cuando se transmite en el núcleo de la fibra y el revestimiento. En la fibra monomodo, es muy importante cambiar la dispersión de la fibra cambiando la estructura interna de la fibra.
Dispersión de guía de onda
El fenómeno en el que la luz compuesta se descompone en varias luces monocromáticas a través de un divisor de haz como un prisma se llama dispersión de luz. La banda de luz formada por luces monocromáticas separadas y dispuestas en secuencia se llama espectro. La luz de varios colores se propaga a velocidad constante en el vacío; en un medio, la velocidad de propagación de las ondas de luz disminuye y las ondas de luz de diferentes longitudes de onda también se propagan a diferentes velocidades. Por lo tanto, el mismo medio tiene un índice de refracción diferente para diferentes luces monocromáticas. El índice de refracción de la luz roja es el más pequeño y el índice de refracción de la luz violeta es el más grande.
Prisma triangular
El fenómeno de que el índice de refracción de un medio cambia con la frecuencia de las ondas de luz o la longitud de onda en el vacío. Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para la luz de diferentes longitudes de onda, y los distintos colores de la luz se separan entre sí debido a los diferentes ángulos de refracción. En 1672, Newton utilizó un prisma para descomponer la luz solar en bandas de colores. Este fue el primer experimento de dispersión. La ley de dispersión suele describirse mediante la relación entre el índice de refracción n o el índice de dispersión dn/dλ del medio y la longitud de onda λ. La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dos tipos: dispersión normal y dispersión anormal.
Dispersión de diamantes
El fenómeno de la luz de colores complejos que se descompone en luz monocromática para formar un espectro. Deje que un rayo de luz blanca brille sobre el prisma de vidrio. Después de que el prisma refracta la luz, forma una franja de luz de color en la pantalla de papel blanco del otro lado. La disposición de color es roja cerca de la esquina superior del prisma. rojo cerca del borde inferior es violeta, con naranja, amarillo, verde e índigo en el medio. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede descomponer en otros colores de luz, por eso se llama luz monocromática. La luz formada al mezclar luz monocromática se llama luz de color complejo. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz de colores complejos. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto. Si el objeto es transparente, parte de él se verá a través del objeto. Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que aparecen en diferentes colores. [2]
Dispersión directa y negativa
En 1936, Cosch estudió el índice de refracción de materiales en la región de la luz visible y expresó la curva de dispersión como
Esta La fórmula se llama fórmula de Coch, a, b, c en la fórmula son constantes que caracterizan las características del material. A la dispersión que se ajusta a esta ley la llamamos dispersión normal, en caso contrario se la llama dispersión anómala. En términos generales, el índice de refracción de un material cambiará repentinamente cerca de la banda de absorción (como se muestra en la figura), mostrando una dispersión anómala.
Comprensión de la dispersión
En los primeros días del desarrollo óptico, la explicación del color era particularmente difícil. Antes de Newton, la comprensión de los europeos sobre el color se basaba en el punto de vista de Aristóteles. Aristóteles creía que el color no es una propiedad objetiva de los objetos, sino los sentimientos subjetivos de las personas. La formación de todos los colores es el resultado de la mezcla de luz y oscuridad, blanco y negro en proporción. En 1663, Boyle también estudió el color de los objetos. Creía que el color de un objeto no era una propiedad sustancial del objeto, sino que era causado por la variación de la luz en la superficie del objeto que se iluminaba. Los objetos que reflejan completamente la luz aparecen blancos y los objetos que absorben completamente la luz aparecen negros. Además, muchos científicos, como Descartes y Hooke, también han discutido el problema de la dispersión o acumulación de luz blanca en colores, pero todos sostienen que la luz roja es luz muy concentrada y la luz violeta es luz muy diluida. trastorno. Entonces, antes de Newton, se suponía que la refracción producida por el prisma en realidad producía el color, en lugar de simplemente separar el color que ya existía.
Comprensión de la dispersión newtoniana
(1) Diseñar y realizar experimentos con prismas Cuando la luz blanca pasa a través de fragmentos de vidrio incoloro y varias piedras preciosas, se formarán luces brillantes de varios colores. Este hecho se había comprendido siglos antes que Newton, pero no fue hasta mediados del siglo XVII que Newton estudió esta cuestión de forma experimental. Este experimento fue calificado como uno de los "experimentos más bellos de la física".
Newton hizo por primera vez un famoso experimento con un prisma triangular y dejó constancia en su obra: "A principios de 1666, hice un prisma de vidrio triangular y lo usé para estudiar el color de la luz. Con este fin, hice el Habitación oscura y hago un pequeño agujero en la ventana para dejar entrar la cantidad adecuada de luz solar. También puse el prisma en la entrada de la luz para que la luz refractada pueda llegar a la pared opuesta. Cuando vi la luz por primera vez. color de luz intenso producido por esto, sentí una gran alegría." El diseño experimental de Newton es el siguiente: A través de este experimento, se obtuvo un punto de luz de color en la pared, y la disposición de colores fue rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, morado. Newton llamó espectro a esta mancha de color.
(2) Diseñe aún más el experimento para obtener un espectro puro.
El espectro obtenido por Newton en el experimento anterior era impuro. Él creía que la razón por la que el espectro era impuro era porque. el espectro estaba compuesto por una serie de puntos circulares superpuestos. Para obtener un espectro muy puro, Newton diseñó un conjunto de instrumentos ópticos para realizar experimentos. El diseño experimental es el que se muestra en la figura:
Utiliza luz blanca que pasa a través de una lente para iluminar la rendija S. y colocar una rendija detrás de la rendija lente convergente (lente convexa) para formar las imágenes s' de la rendija S'. Luego coloque un prisma en el camino óptico de la lente. De este modo, la luz se separa a través del prisma debido a diferentes ángulos de desviación, de modo que en la pantalla de luz blanca se forma una banda espectral que va del rojo al violeta. Esta banda espectral está compuesta por una serie de imágenes en color de rendijas adyacentes. Si la rendija se hace muy estrecha, el fenómeno de superposición se puede reducir al mínimo y el espectro se vuelve muy puro.
(3) Newton propuso una teoría para explicar el espectro
Para explicar el fenómeno de descomposición de la luz blanca en el experimento del prisma, Newton creía que la luz blanca se compone de varios colores. de la luz y el vidrio tiene diferentes efectos en varios El índice de refracción de la luz coloreada es diferente Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, cada luz coloreada se refracta en diferentes ángulos y el resultado se separa en un espectro de colores. Cuando la luz blanca pasa a través de un prisma, se desvía hacia el borde inferior del prisma. La luz violeta es la que más se desvía y la luz roja es la que menos. El fenómeno en el que un prisma separa la luz blanca en varios colores de luz se llama dispersión. Estrictamente hablando, hay muchas líneas finas de varios colores en el espectro, y todas están mezcladas en líneas finas adyacentes con tanta suavidad que la gente no puede detectar sus límites.
(4) Diseñar experimentos para verificar la exactitud de la teoría anterior.
Para estudiar más a fondo el color de la luz y verificar la exactitud de la teoría anterior, Newton hizo otro experimento. El diseño experimental se muestra en la figura:
Newton hizo un pequeño agujero en la pantalla DE para observar el espectro, y luego colocó una pantalla DE con un pequeño agujero detrás, de modo que la luz que pasa a través del El pequeño agujero tenía un cierto color de luz monocromática. Newton colocó un segundo prisma abc en la trayectoria de este rayo y una nueva pantalla de observación V detrás de él. Los experimentos muestran que el segundo prisma abc sólo desvía el haz de luz monocromático en un ángulo sin cambiar el color de la luz. En el experimento, Newton giró el primer prisma ABC para que los diferentes colores de luz del espectro pasaran a través de los pequeños agujeros en las pantallas DE y de. En todos estos casos, estos diferentes colores de luz monocromática no pudieron ser descompuestos nuevamente por el. segundo prisma, cada uno de ellos solo se desvió en un cierto ángulo después de pasar por el segundo microscopio, y se encontró que los ángulos de desviación eran diferentes para la luz de diferentes colores.
A través de estos experimentos, Newton concluyó que la luz blanca se puede descomponer en luz de diferentes colores. Estas luces ya son monocromáticas y los prismas ya no pueden descomponerlas.
(5) Experimento sobre la recombinación de luz monocromática en luz blanca
Dado que la luz blanca se puede descomponer en luz monocromática, ¿se puede recombinar también la luz monocromática en luz blanca?" Para esto Por esta razón, Newton realizó un experimento como se muestra en la Figura 55, dividiendo el espectro en una fila de pequeños espejos planos rectangulares, la luz coloreada del espectro se puede recombinar en luz blanca. Ajuste el ángulo entre cada espejo plano y la luz incidente de manera. que todas las luces reflejadas caen sobre la pantalla de luz. En la misma posición, se obtiene una clase de luz blanca.
Newton señaló que se puede utilizar otro método para recombinar la luz de color en luz blanca. en un disco y luego gírelo a alta velocidad, este disco aparece blanco. Este efecto experimental se denomina generalmente "efecto de persistencia visual". Después de que la imagen en la retina del ojo desaparece, el cerebro puede retener la impresión durante unas décimas. de segundo. Las imágenes en color que cambian rápidamente se combinan para formar una imagen blanca estática en la pantalla del televisor.
Podemos ver imágenes continuas en línea o en una pantalla de cine, y la razón de esto es que aprovechamos el "efecto de persistencia de la visión" de las personas.
(6) Resultados de la investigación de Newton sobre la dispersión de la luz.
A través de una serie de experimentos de dispersión y estudios teóricos, Newton resumió los resultados en varios puntos. Los puntos clave son los siguientes:
①La luz tiene diferentes colores según su diferente índice de refracción. El color no es una variación de la luz, sino una propiedad inherente de la luz.
②Un mismo color pertenece al mismo índice de refracción, y viceversa.
③El tipo de color y el grado de refracción son inherentes a la luz y no cambian por refracción, reflexión o cualquier otro motivo.
④ Es necesario distinguir entre los colores puros originales y los colores compuestos por ellos.
⑤ No existe luz que sea blanca en sí misma. El blanco se produce mediante la mezcla adecuada de todos los colores de luz. De hecho, se pueden realizar experimentos para resintetizar los colores del espectro para obtener luz blanca.
⑥Según lo anterior, podemos explicar la razón por la cual un prisma produce color en la luz y el principio del arco iris.
⑦El color de los objetos naturales se debe a que la sustancia refleja más ciertos tipos de luz y menos otros tipos de luz.
⑧De esto se puede ver que el color es la cualidad de la luz (varios rayos), por lo que la luz en sí no puede ser una calidad. Debido a que cualidades como el color se originan a partir de la luz, ahora hay buenas razones para creer que la luz es una entidad.
(7) Características del método de investigación de Newton sobre el fenómeno de dispersión de la luz.
De lo anterior se puede ver que Newton utilizó los métodos típicos de investigación de leyes físicas de inducción experimental, teoría de hipótesis y pruebas experimentales en su investigación sobre la dispersión de la luz, y lo impregnó con el método analítico (el Métodos de investigación física, como descomponer la luz blanca en luz monocromática) y métodos integrales (componer la luz monocromática en luz blanca).
La dispersión de la luz ilustra la naturaleza ondulatoria de la luz. Porque la dispersión es causada por los diferentes índices de refracción de los componentes de la luz (diferentes colores de la luz), y el índice de refracción está determinado por la frecuencia de la onda. El ejemplo más típico de la naturaleza partícula de la luz es el efecto fotoeléctrico.
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