Dispersión refractiva


La luz procedente de una estrella, conocida como luz blanca, es una superposición de luces de diferentes colores, las cuales presentan una longitud de onda y una frecuencia específicas. La dispersión de la luz es un fenómeno que se produce cuando un rayo de luz blanca atraviesa un medio transparente (por ejemplo el aire) y se refracta, mostrando a la salida de este los respectivos colores que la constituyen.

La dispersión tiene su origen en una disminución en la velocidad de propagación de la luz cuando atraviesa el medio. Debido a que el material absorbe y remite la luz cuya frecuencia es cercana a la frecuencia de oscilación natural de los electrones que están presentes en él, esta luz se propaga un poco más despacio en comparación a luz de frecuencias distintas. Estas variaciones en la velocidad de propagación dependen del índice de refracción del material y el oxígeno y hacen que la luz, para frecuencias diferentes, se refracte de manera diferente. En el caso de una doble refracción (como sucede en el prisma) se distinguen entonces de manera organizada los colores que componen la luz blanca: la desviación es progresiva, siendo mayor para frecuencias mayores (menores longitudes de onda); por lo tanto, la luz roja es desviada de su trayectoria original en menor medida que la luz azul.

La descomposición de la luz blanca en los diferentes colores que la componen (data del siglo XVIII) debido al físico, astrónomo y matemático Isaac Newton. La luz blanca se descompone en estos colores principales:

Esto demuestra que la luz blanca está constituida por la superposición de todos estos colores. Cada uno de los cuales experimenta una desviación distinta ya que el índice de refracción de, por ejemplo, el vidrio es diferente para cada uno de los colores.

Si la luz de un color específico, proveniente del espectro de la luz blanca, atravesara un prisma, esta no se descompondría en otros colores ya que cada color que compone el espectro es un color puro o monocromático.

La dispersión cromática suele referirse a la dispersión del material a granel, es decir, al cambio del índice de refracción con la frecuencia óptica. Sin embargo, en una guía de ondas también existe el fenómeno de dispersión en guía de ondas, en cuyo caso la velocidad de fase de una onda en una estructura depende de su frecuencia simplemente debido a la geometría de la estructura. En términos más generales, la dispersión de la guía de onda puede ocurrir para las ondas que se propagan a través de cualquier estructura no homogénea (por ejemplo, un cristal fotónico), independientemente de que las ondas estén confinadas en alguna región.{En una guía de ondas, ambos tipos de dispersión estarán generalmente presentes, aunque no son estrictamente aditivos. Por ejemplo, en la fibra óptica la dispersión del material y de la guía de onda pueden anularse mutuamente de forma efectiva para producir una longitud de onda de dispersión cero, importante para la comunicación por fibra óptica rápida.


Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material.
Animación esquemática de un haz continuo de luz dispersado por un prisma. El haz blanco representa muchas longitudes de onda de luz visible, de las cuales se muestran 7, al atravesar un vacío a la misma velocidad c. El prisma hace que la luz se ralentice, curvando su camino por el proceso de refracción. Este efecto es más pronunciado en las longitudes de onda más cortas (como el extremo violeta) que en las longitudes de onda más largas (como el extremo rojo), dispersando así los componentes. Al salir del prisma, cada componente vuelve a la misma velocidad original y se refracta nuevamente.
La variación del índice de refracción vs. la longitud de onda en vacío para varios vidrios. Las longitudes de onda de la luz visible están resaltadas en gris.
Evolución temporal de un pulso corto en un hipotético medio dispersivo (k=w^2) que muestra que los componentes de mayor longitud de onda viajan más rápido que los de menor longitud de onda (GVD positiva), lo que da lugar a un chirrido y a un ensanchamiento del pulso.