Коэффициент преломления

Определения:
Фактор уменьшения скорости света в среде.

Коэффициент преломления прозрачной среды является фактором уменьшения фазовой скорости vph относительно скорости света в вакууме:

  

Здесь предполагается, что плоские волны распространяются линейно (сила света относительно низкая). Коэффициент преломления определяет явление преломления, отражения и дифракции на границе раздела через фазовую скорость.
Длина волны света в среде равна одной n части длины волны вакуума.
На основе относительной диэлектрической константы Эпсилона и относительной магнитной проницаемости мю материала можно рассчитать его коэффициент преломления:

 

Следует отметить, что здесь значения Эпсилона и мю находятся на оптической частоте и сильно отличаются от значений на низких частотах. Магнитная проницаемость обычных оптических материалов составляет около 1.
Явление, связанное со скоростью преломления в материале с частотой света или длиной волны, называется дисперсией. Обычные стекла и кристаллы (например, лазерные кристаллы) имеют диапазон преломления 1,4 - 2,8 в области видимого света, и чем короче длина волны, тем больше скорость преломления (нормальная дисперсия). Это результат следующих явлений: область видимого света (среда с большой пропускной способностью), между двумя областями интенсивного поглощения: область ультрафиолетового света, где энергия фотона больше, чем полоса зазора, и область ближнего или среднего инфракрасного света вибрационного резонанса.

  

Рисунок 1: Степень преломления (сплошная линия) и групповая скорость (пунктирная линия) диоксида кремния изменяются с длиной волны при температуре 0  C (синий), 100  C (черный) и 200  C (красный) соответственно.
Полупроводники имеют большую скорость преломления в прозрачных областях. Например, коэффициент преломления арсенида галлия составляет около 3,5 при 1 мкм. Это связано с сильным поглощением, когда длина волны меньше длины волны с зазором (около 870 нм). Результатом высокой скорости преломления является сильное отражение Френеля и относительно большой угол полного отражения на границе полупроводника - воздуха.
Явление скорости преломления, связанное с длиной волны в прозрачном оптическом материале, может быть описано уравнением Селлмейера, которое содержит некоторые эмпирические параметры. Расширенная версия уравнения может описывать температурные характеристики, как это показано на рисунке 1.
Для согласования фаз в нелинейном преобразовании частоты, которое происходит в нелинейном кристаллическом материале, необходимо знать, как скорость преломления изменяется с температурой и длиной волны.
В неизотропных средах скорость преломления связана с направлением поляризации (см. Двойное преломление) и направлением распространения (не изотропность). Если диэлектрик имеет оптическую ось, скорость преломления света при распространении по этой оси не зависит от направления поляризации.
Коэффициент комплексного преломления может выражать не только количественное изменение фазы на единицу длины, но и оптическое усиление (виртуальная часть) или потери распространения (например, в результате поглощения).
Существует также коэффициент преломления для группы, который может количественно измерять уменьшение скорости группы. В резонансных ситуациях скорость преломления сильно отличается от скорости группового преломления, что можно увидеть в некоторых квантово - оптических экспериментах. Используется при очень большой или очень часовой групповой скорости (медленный свет).
Некоторые фотонные метаматериалы (обычно содержащие металлическо - диэлектрические композиты) могут достигать отрицательного коэффициента преломления, впервые реализованного в микроволновой области, а теперь и в оптической области. Отрицательная скорость преломления вызывает множество необычных явлений. Например, луч преломления на границе между вакуумом и средой находится на той же стороне нормали, что и падающий луч.
В волноводе каждый режим распространения соответствует эффективной скорости преломления, связанной с его фазовой скоростью.