光传播和应用：电磁波、折射与色散

把无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线按照波长或频率的顺序排列起来，就是电磁波谱。其中，无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等。目前，光纤通信的实用工作波长在近红外区，即0.8～1.8μm的波长区，如图3-1所示，对应的频率为167～375 THz。光纤通信有850 nm、1 310 nm和1 550 nm三个工作窗口。

光通常指可见光，即电磁波；发射（可见）光的物体叫作（可见）光源，例如太阳、萤火虫和白炽灯等都称为光源。光是有能量的，光可以在化学能、电能等其他形式的能之间相互转换。

1.光的直线传播

图3-1　光通信中使用的电磁波范围

光在同一种均匀物质中是沿直线传播的。日食、月食、人影、小孔成像、隧道掘进机的工作原理（激光准直）等就是光沿直线传播的应用。光（电磁波）在真空中的传播速度，目前公认值为c＝299 792 458 m/s（精确值），一般情况下，光速多取c＝3×108 m/s。除真空外，光能在水、玻璃等介质中传播，在介质中传播的速度小于在真空中传播的速度，在水中的传播速度为2.25×108 m/s，在玻璃中的传播速度为2.0×108 m/s，在冰中的传播速度为2.30×108 m/s，在空气中的传播速度为3.0×108 m/s，在酒精中的传播速度为2.2×108 m/s。

2.光的传播规律

光的直线传播前面已介绍过，下面简要介绍一下光的反射、折射和全反射。

光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。光的反射与折射，如图3-2所示。根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律：

其中，n1为纤芯的折射率；n2为包层的折射率。

显然，若n1＞n2，则会有θ2＞θ1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，就会使折射角θ2≥90°，此时的折射光线不再进入包层（光疏介质），而会在纤芯（光密介质）与包层的分界面上掠过（θ2＝90°时），或者重返回纤芯中进行传播（θ2＞90°时）。这种现象叫作光的全反射现象，如图3-3所示。可见，入射角不断增大，折射光的能量越来越少，反射光的能量逐渐增大，最后折射光消失。

图3-2　光的反射与折射(www.xing528.com)

图3-3　光的全反射现象

3.光的色散及散射

（1）光的色散

图3-4　光的色散

在物理学中，色散是指不同颜色的光经过透明介质后被分散开的现象。一束白光经三棱镜后被分为七色光带。这是因为玻璃对不同颜色（不同频率或不同波长）的光具有不同的折射率，波长越长（或频率越低）玻璃呈现的折射率越小，波长越短（或频率越高）玻璃呈现的折射率越大。换句话说，玻璃的折射率是光波频率（或波长）的函数。当不同颜色组合而成的白光以相同的入射角θ1入射时，根据折射定律n1 sinθ1＝n2 sinθ2，不同颜色的光因n2不同会有不同的折射角，这样不同颜色的光就会被分开，出现色散。如图3-4所示，紫色光折射率大，红色光折射率小。由于v＝c/n，很显然，不同颜色的光在玻璃中传播的速度也不相同。

在光纤传播理论中，拓宽了色散这个古老名词的含义，在光纤中，信号是由很多不同模式或频率的光波携带传输的，当信号达到终端时，不同模式或不同频率的光波出现了传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称为色散。对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。色散和带宽是从不同领域来描述光纤的同一特性的。

（2）光的散射

物质中存在的不均匀杂质或微粒使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射。由于媒质中存在着其他物质的微粒，或者由于媒质本身密度的不均匀性（即密度涨落），使通过物质的光的强度减弱，从而引起光的散射。光的散射根据光传播特性主要分为瑞利散射和分子散射两大类。

瑞利散射光强与λ的4次方成反比。当观察晴天的天空时，进入人眼的是阳光经过大气时的侧向散射光，主要包含着短波成分，所以天空呈蓝色；而落日时直视太阳所看到的是在大气层（包括微尘层）中经过较长路程的散射后的阳光，剩余的长波成分较强，所以落日呈红色。

物质中有杂质微粒（如细微的悬浮物、细微气泡等），或存在折射率分布的不均匀性，这些细微的不均匀性区域成为散射中心，它们的散射光是非相干的，各散射光束的光强直接相加，这时即可观察到散射光。当微粒线度远小于光的波长时，就得到瑞利散射。此外，通常的纯净物质中各处总有密度的起伏，这也构成折射率分布的不均匀性，M·斯莫卢霍夫斯基（1908）与A·爱因斯坦（1910）的研究表明，这种密度起伏是一般纯净透明物质中产生瑞利散射的原因。这种由密度起伏导致的散射也称为分子散射。

光的散射现象在各个科学技术部门中有广泛应用。通过散射光的测量可以了解到散射粒子的浓度、大小、形状及取向等，在物理、化学、气象等许多方面的研究中得到应用。