índice de refracción

definición:
El factor por el que la velocidad de la luz disminuye en un medio.

El índice de refracción de los medios transparentes es el factor por el cual la velocidad de fase vph disminuye con relación a la velocidad de la luz en el vacío:

  

Se supone aquí que las ondas planas se propagan linealmente (con una intensidad de luz relativamente baja). El índice de refracción determina los fenómenos de refracción, reflexión y difracción en la interfaz a través de la velocidad de fase.  
La longitud de onda de la luz en un medio es igual a una décima parte de la longitud de onda de vacío.  
Según la constante dieléctrica relativaεy permeabilidad magnética relativaμdel material, su índice de refracción se puede calcular:

 

Cabe señalar que aquí,εyμson valores a la frecuencia óptica, que difieren mucho de sus valores a bajas frecuencias. La permeabilidad magnética de materiales ópticos ordinarios es de aproximadamente 1.  
El fenómeno en los materiales donde el índice de refracción está relacionado con la frecuencia o la longitud de onda de la luz se llama dispersión. El rango del índice de refracción del vidrio ordinario y los cristales (tales como los cristales láser) en la región de la luz visible es de 1,4-2,8, y cuanto menor sea la longitud de onda, mayor será el índice de refracción (dispersión normal). Esto es el resultado del siguiente fenómeno: en la región de luz visible (donde el medio tiene una alta transmitancia), entre dos regiones de absorción fuerte: en la región ultravioleta, la energía del fotón es mayor que la brecha de banda, mientras que la resonancia de vibración se produce en la región del infrarrojo cercano o medio.  

  

Figura 1: El índice de refracción (línea sólida) y la velocidad del grupo (línea discontinua) de sílice en función de la longitud de onda a temperaturas de 0°C (azul), 100°C (negro), y 200°C (rojo), respectivamente.  
Los semiconductores tienen un índice de refracción más alto en regiones transparentes. Por ejemplo, el índice de refracción del arseniuro de galio es de aproximadamente 3,5 a 1 micra. Esto se debe a que la absorción fuerte se produce cuando la longitud de onda es más pequeña que la longitud de onda de la brecha de banda (aproximadamente 870 nm). El resultado del alto índice de refracción es una fuerte reflexión Fresnel y un ángulo de reflexión total relativamente grande en la interfaz de aire semiconductor.  
El fenómeno de la dependencia de la longitud de onda del índice de refracción en materiales ópticos transparentes puede describirse mediante la ecuación de Sellmeier, que incluye algunos parámetros empíricos. La versión extendida de esta ecuación puede describir características de temperatura, que se utiliza en la Figura 1.
La coincidencia de fase en la conversión de frecuencia no lineal que ocurre en materiales cristalinos no lineales requiere conocimiento de los cambios específicos en el índice de refracción con la temperatura y la longitud de onda.  
En medios no isotrópicos, el índice de refracción está relacionado con la dirección de polarización (ver birefringencia) y la dirección de propagación (no isotrópico). Si el medio tiene un eje óptico, el índice de refracción de la luz que se propaga sobre ese eje es independiente de la dirección de polarización.  
El índice de refracción complejo no solo puede representar cuantitativamente el cambio de fase por unidad de longitud, sino que también puede representar la ganancia óptica (parte imaginaria) o la pérdida de propagación (por ejemplo, debido a la absorción).  
También hay un índice de refracción llamado índice de refracción de grupo, que puede cuantificar la disminución en la velocidad del grupo. En resonancia, el índice de refracción diferirá mucho del índice de refracción del grupo, que se puede observar en algunos experimentos ópticos cuánticos. Cuando la velocidad del grupo es muy alta o muy baja, se utilizará (luz lenta).  
Algunos metamateriales de fotones (generalmente incluyendo materiales compuestos dieléctricos metálicos) pueden lograr índice de refracción negativo, que se logró por primera vez en la región de microondas y ahora también está disponible en el campo de la óptica. El índice de refracción negativo puede causar muchos fenómenos no convencionales. Por ejemplo, el haz refractado en la interfaz entre el vacío y el medio se encuentra en el mismo lado de la normal que el haz incidente.  
En una guía de ondas, cada modo de propagación corresponde a un índice de refracción efectivo, que está relacionado con su velocidad de fase.