基础定义

材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增大）而减小的性质，称为“色散”。右图为几种光学材料的色散曲线。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时，传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜后便各自分散。

色散能够给人们带来美丽的彩虹，但是如果色散发生在光通信系统中，就没有那么美好了。尽管色散的概念是从光的色散现象提出来的，但色散的含意远超出了光在介质中传播的范畴，它涉及了介质中集体激发的各个领域。例如格波的频率与其波矢的关系称格波的色散关系。光波与长光学横波耦合而产生的极化激元（电磁耦合场量子）的频率与其波矢之间的关系称极化激元的色散关系。磁激子（自旋波量子）的能量子与其自旋波波矢的关系构成了磁激子的色散关系。另外色散概念也用于量子场论中。也可用于描述传播参数与频率之间的关系。在光纤中的色散由材料色散、波导色散、 折射率分布色散等组成，会引起传输信号的失真。

在“损耗”术语中，我们了解到，色散是光纤传输中的损耗之一。随着光纤制造工艺的不断提高，光纤损耗对光通信系统的传输距离不再起主要限制作用，色散上升为首要限制因素之一。当光纤的输入端光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时域上的展宽，这种现象即为色散。以单模光纤中的色散现象为例，色散将导致码间干扰，在接收端将影响光脉冲信号的正确判决，误码率性能恶化，严重影响信息传送。

单模光纤中的色散主要由光信号中不同频率成分的传输速度不同引起，这种色散称为色度色散。在色度色散可以忽略的区域，偏振模色散也成为单模光纤色散的主要部分。

色散

历史研究

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中国古代对光的色散现象的认识

中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对自然色散现象——虹的认识．虹，是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象．中国早在殷代甲骨文里就有了关于虹的记载．当时把“虹”字写成“绛”．战国时期《楚辞》中有把虹的颜色分为“五色”的记载．东汉蔡邕（132~192年）在《月令章句》中对虹的形成条件和所在方位作了描述．唐初孔颖达（574~648年）在《礼记注疏》中粗略地揭示出虹的光学成因：“若云薄漏日，日照雨滴则生虹”说明虹是太阳光照射雨滴所产生的一种自然现象．公元八世纪中叶，张志和（744~773年）在《玄真子·涛之灵》中第一次用实验方法研究了虹，而且是第一次有意识地进行的白光色散实验：“背日喷呼水成虹霓之状，而不可直也，齐乎影也”．唐代以后，不断有人重复类似的实验，如南宋朝蔡卞进行了一个模拟“日照雨滴”的实验，把虹和日月晕现象联系起来，有意说明虹的产生是一种色散过程，并指出了虹和阳光位置之间的关系．南宋程大昌（1123~1195年）在《演繁露》中记述了露滴分光的现象，并指出，日光通过一个液滴也能化为多种颜色，实际是色散，而这种颜色不是水珠本身所具有，而是日光的颜色所著，这就明确指出了日光中包含有数种颜色，经过水珠的作用而显现出来，可以说，他已接触到色散的本质了．在我国从晋代开始，许多典籍都记载了晶体的色散现象．如记载过孔雀毛及某种昆虫表皮在阳光下不断变色的现象，云母片向日举之可观察到各种颜色的光．李时珍也曾指出较大的六棱形水晶和较小的水晶珠，都能形成色散．到了明末，方以智（1611~1671年）在所著《物理小识》中综合前人研究的成果，对色散现象作了极精彩的概括，他把带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体将白光分成五色，与向日喷水而成的五色人造虹、日光照射飞泉产生的五色现象，以及虹霓之彩、日月之晕、五色之云等自然现象联系起来，认为“皆同此理”即都是白光的色散．所有这些都表明中国明代以前对色散现象的本质已有了较全面的认识，但也反映中国古代物理学知识大都是零散、经验性的知识．

对色散的认识

在光学发展的早期，对颜色的解释显得特别困难．在牛顿以前，欧洲人对颜色的认识流行着亚里士多德的观点．亚里士多德认为，颜色不是物体客观的性质，而是人们主观的感觉，一切颜色的形成都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果．1663年波义耳也曾研究了物体的颜色问题，他认为物体的颜色并不是属于物体的带实质性的性质，而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的．能完全反射光线的物体呈白色，完全吸收光线的物体呈黑色．另外还有不少科学家，如笛卡儿、胡克等也都讨论过白光分散或聚集成颜色的问题，但他们都主张红色是大大地浓缩了的光，紫光是大大地稀释了的光这样一个复杂紊乱的理论．所以在牛顿以前，由棱镜产生的折射被假定是实际上产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来．

牛顿色散认识

（1）设计并进行三棱镜实验当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时，就会形成鲜艳的各种颜色的光，这一事实早在牛顿的几个世纪之前就已有了解，可是直到十七世纪中叶以后，才有牛顿通过实验研究了这个问题．该实验被评为“物理最美实验”之一。

牛顿首先做了一个有名的三棱镜实验，他在著作中记载道：“1666年初，我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色．为此，我把房间里弄成漆墨的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来．我又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去，当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时，使我感到极大的愉快．”牛顿的实验设计如下图：通过这个实验，在墙上得到了一个彩色光斑，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．牛顿把这个颜色光斑叫做光谱．

（2）进一步设计实验，获得纯光谱

牛顿在上述实验中所得到的光谱是不纯的，他认为光谱之所以不纯是因为光谱是由一系列相互重叠的圆形色斑的像所组成．牛顿为了获得很纯的光谱，便设计了一套光学仪器进行实验：

用白光通过一透镜后照亮狭缝S，狭缝后放一会聚透镜（凸透镜）以便形成狭缝S的像s‘．然后在透镜的光路上放一个棱镜．结果光通过棱镜因偏转角度不同而被分开，以至在白色光屏上形成一个由红到紫的光谱带．这个光谱带是由一系列彼此邻接的狭缝的彩色像组成的．若狭缝做得很窄，重叠现象就可以减小到最低限度，因而光谱也变得很纯．

（3）牛顿提出解释光谱的理论