معامل الانكسار

تعريف:
العامل الذي ينخفض فيه سرعة الضوء في وسيط. مؤشر الانكسار للوسائط الشفافة هو العامل الذي ينخفض فيه سرعة المرحلة vph بالنسبة لسرعة الضوء في الفراغ:[6]

يُفترض هنا أن موجات الطائرة تنتشر بشكل خطي (مع كثافة ضوئية منخفضة نسبياً). يحدد مؤشر الانكسار ظاهرة الانكسار والانعكاس والانتشار في الواجهة من خلال سرعة المرحلة.  
الطول الموجي للضوء في وسيط يساوي ثلث طول موجة الفراغ. وفقًا لثابت العزل الكهربائي النسبي والنفاذ المغناطيسي النسبي للمادة ، يمكن حساب مؤشر الانكسار لها: [1]

تجدر الإشارة إلى أن القيم هنا هي القيم في التردد البصري، والتي تختلف بشكل كبير عن قيمها في الترددات المنخفضة. النفاذ المغناطيسي للمواد البصرية العادية حوالي 1.  
تسمى الظاهرة في المواد التي يرتبط فيها مؤشر الانكسار بتردد أو الطول الموجي للضوء التشتت. نطاق مؤشر الانكسار للزجاج العادي والبلورات (مثل بلورات الليزر) في منطقة الضوء المرئي هو 1.4-2.8 ، وكلما كان الطول الموجي أقصر ، كلما ارتفع مؤشر الانكسار (التشتت العادي). وهذا هو نتيجة للظاهرة التالية: في منطقة الضوء المرئي (حيث الوسيط لديه نقل عالي) ، بين منطقتين قويتين للامتصاص: في منطقة الأشعة فوق البنفسجية ، فإن طاقة الفوتونات أكبر من فجوة النطاق الترددي ، في حين يحدث الرنين الاهتزازي في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة أو الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.  

الشكل 1: مؤشر الانكسار (خط صلب) وسرعة المجموعة (خط مقطع) للسيليكا كدالة من الطول الموجي في درجات حرارة 0 درجة مئوية (أزرق) ، 100 درجة مئوية (أسود) ، و 200 درجة مئوية (أحمر) ، على التوالي.  
أشباه الموصلات لها مؤشر انكسار أعلى في المناطق الشفافة. على سبيل المثال، فإن مؤشر الانكسار لـ gallium arsenide هو حوالي 3.5 عند ميكرون واحد. ويرجع ذلك إلى أن الامتصاص القوي يحدث عندما يكون الطول الموجي أصغر من الطول الموجي للفجوة النطاقية (حوالي 870 نانومتر). نتيجة مؤشر الانكسار العالي هو انعكاس فريسنل قوي وزاوية انعكاس إجمالية كبيرة نسبيا في واجهة الهواء أشباه الموصلات. يمكن وصف ظاهرة الاعتماد على الطول الموجي لمؤشر الانكسار في المواد البصرية الشفافة بمعادلة سيلميير، والتي تشمل بعض المعلمات التجريبية. النسخة الموسعة من هذه المعادلة يمكن أن تصف خصائص درجة الحرارة ، والتي تستخدم في الشكل 1. تطابق المراحل في تحويل التردد غير الخطي الذي يحدث في المواد البلورية غير الخطية يتطلب معرفة التغييرات المحددة في مؤشر الانكسار مع درجة الحرارة وطول الموجة. في وسائط غير متماثلة، يرتبط مؤشر الانكسار باتجاه الاستقطاب (انظر الانكسار المزدوج) واتجاه الانتشار (غير متماثلة). إذا كان الوسيط لديه محور بصري، فإن مؤشر الانكسار للضوء المنتشر على هذا المحور مستقل عن اتجاه الاستقطاب. لا يمكن لمؤشر الانكسار المعقد أن يمثل كمياً تغير المرحلة لكل وحدة من الطول فحسب ، بل يمثل أيضًا المكاسب البصرية (الجزء الخيالي) أو خسارة الانتشار (على سبيل المثال بسبب الامتصاص). هناك أيضًا مؤشر انكسار يسمى مؤشر الانكسار المجموعي ، والذي يمكن أن يقيس كميًا الانخفاض في سرعة المجموعة. في الرنين، سيختلف مؤشر الانكسار اختلافا كبيرا عن مؤشر الانكسار المجموعة، والتي يمكن ملاحظتها في بعض التجارب البصرية الكمية. عندما تكون سرعة المجموعة عالية جداً أو منخفضة جداً، سيتم استخدام (ضوء بطيء). يمكن لبعض المواد الفوقية الفوتونية (عادة بما في ذلك المواد المركبة العازلة الكهربائية المعدنية) تحقيق مؤشر الانكسار السلبي ، الذي تم تحقيقه لأول مرة في منطقة الميكروويف ويتوفر الآن أيضًا في مجال البصريات. مؤشر الانكسار السلبي يمكن أن يسبب العديد من الظواهر غير التقليدية. على سبيل المثال ، يقع شعاع الانكسار في الواجهة بين الفراغ والوسيط على نفس الجانب الطبيعي مثل شعاع الحادث. في دليل الموجة، يتوافق كل وضع انتشار مع مؤشر الانكسار الفعال، والذي يرتبط بسرعة مرحلته.