Qué es la dispersión de Rayleigh: dispersión de la luz y sus pérdidas

Lord Rayleigh (12 de noviembre de 1842) descubrió la dispersión de Rayleigh. Conocemos el fenómeno de la luz que es la reflexión y la refracción. Las partículas en la atmósfera se llaman dispersión porque cuando la luz entra en la atmósfera, estas partículas se dispersarán en las luces. Este fenómeno de refracción puede describirse como dispersión de la luz. Hay dos tipos de difusiones como elástica e inelástica. Las dispersiones Rayleigh, Mie y no selectivas son dispersiones elásticas y las dispersiones Brillou, Raman, inelásticas de rayos X y Compton son las dispersiones inelásticas. En este artículo, se analiza brevemente un tipo de dispersión elástica, a saber, Rayleigh.

¿Qué es la dispersión de Rayleigh?

Definición: El rayleigh es la dispersión de moléculas por el gas en la atmósfera terrestre. La fuerza de dispersión depende de la longitud de onda de la luz y también del tamaño de las partículas. Debido a las variaciones de composición, se produce la dispersión de Rayleigh o lineal.

Distribucion de luz

Hemos pasado por fenómenos maravillosos en nuestra vida diaria, como el color azul del cielo, el color del agua en las profundidades del mar, el enrojecimiento del sol al amanecer y al atardecer, etc. Cuando un rayo de luz cae sobre un átomo, hace vibrar el electrón en el átomo. Los electrones que vibran, a su vez, vuelven a emitir luz en todas las direcciones y este proceso se denomina dispersión.

La atmósfera de la Tierra contiene moléculas de aire y otras partículas diminutas cuando la luz del sol pasa a través de la atmósfera, es dispersada por una gran cantidad de partículas en la atmósfera. Según la ley de dispersión de Rayleigh (RSL), la intensidad de la luz dispersada varía inversamente en la cuarta parte de la longitud de onda de la altura (1/h⁴). En comparación con las longitudes de onda más largas, las longitudes de onda más cortas se dispersan más. El gráfico de dispersión lineal se muestra en la siguiente figura.

Según la RSL, la luz de color azul se dispersa más que la luz roja porque, debido a esto, el cielo parece azul. Al amanecer y al atardecer, los rayos del sol atraviesan gran parte de la atmósfera. Por lo tanto, la mayor parte de la luz azul se dispersa y solo la luz roja llega al observador. Por lo tanto, el sol aparece rojo en el sol y al atardecer.

En el caso de la dispersión de la luz, casi toda la luz dispersada se observa a la misma frecuencia que la radiación incidente. Este fenómeno se llama dispersión elástica o de Rayleigh o lineal, sin embargo, el gran médico indio Dr.CVRaman observó que la dispersión de la luz tiene frecuencias discretas por encima y por debajo de la frecuencia incidente en 1928. Las aplicaciones de tipo Rayleigh o lineales son lidar (detección de luz y alcance), radar meteorológico, etc.

Pérdidas por dispersión de Rayleigh

Las pérdidas por dispersión existen en las fibras ópticas debido a la variación microscópica en la densidad y composición del material. Como el vidrio se compone de redes conectadas al azar a nivel molecular y varios óxidos como el óxido de silicio, GeO₂ etc. Estos son el uso principal de la fluctuación de la estructura de la composición, estos dos efectos conducen a una variación en la refracción y dispersión de la luz tipo Rayleigh.

La dispersión de las luces se debe a pequeños cambios localizados en el índice de refracción del material del núcleo y del revestimiento. Estas son las dos causas durante la fabricación de fibras. La primera se debe a la ligera fluctuación en la mezcla de los ingredientes y la otra causa es un ligero cambio en la densidad a medida que se solidifica. La siguiente figura muestra gráficamente la relación entre la longitud de onda y la pérdida por dispersión de Rayleigh.

Cuando un rayo de luz incide en dichas áreas, se dispersa en todas las direcciones, la pérdida por dispersión para el vidrio de un solo componente viene dada por

POSEE_largarse = 8π³ / 3λ⁴ (no² - 1) ² k_B j_F B_j

Donde n = índice de refracción

k_B = Constante de Boltzman

B_j = Compresibilidad isotérmica

j_F = temperatura de fricción
Según el parámetro de tamaño adimensional, la dispersión de la luz se divide en tres dominios y se define como

A = πDp/ λ

Donde Dp= Circunferencia de una partícula

λ = radiación de longitud de onda incidente

El Rayleigh es proporcional a ya P(r), A(r) y r. La expresión matemática está dada por

α= α_R+a_{YO SOY} +a_OH+a_infrarrojos+a_ultravioleta+a_{YO SOY}

donde α_R= RSL

α_{YO SOY} = Pérdida de imperfección

α_OH = Pérdida por absorción

α_infrarrojos = Pérdida de absorción infrarroja

α_ultravioleta = Pérdida de absorción ultravioleta

α_{YO SOY} = Pérdida de absorción de otras impurezas

Un α_infrarrojos (pérdida de absorción infrarroja) se expresa matemáticamente como

α_infrarrojos =C exp(-D/λ)

Donde 'C' es el coeficiente y D depende de los materiales

La pérdida es proporcional a la λ⁴ ya P(r), A(r) y r. La expresión matemática está dada por

α_R = 1/λ⁴ ∫₀^+∞ A(r) P(r)rdr / ∫₀^+∞ P (r) rdr

Donde A(r) = coeficiente de difusión lineal

P(r) = Propagación de la intensidad de la luz

'r' = Distancia radial

Esta es la teoría de la pérdida de difusión lineal.

Diferencia entre la dispersión de Rayleigh y Mie

La diferencia entre estos dos se discute a continuación.

Dispersión de Rayleigh en fibra óptica

La fibra óptica es delgada, flexible y transparente hecha de plástico y vidrio de sílice ópticamente puro. La fibra óptica es más rápida, inmune a la interferencia electromagnética, no puede incendiarse y la pérdida de señal es menor. Cuando un haz de luz que transporta señales viaja a través de la fibra óptica, la intensidad de la luz disminuye, esta pérdida de salida de luz generalmente se denomina atenuación. La atenuación debe ser una prioridad principal para muchos ingenieros que consideran la selección y el manejo de la fibra.

Casi todos los objetos dispersan luces, es decir, la luz reflejada que incide sobre ellos en todas las direcciones. La dispersión de Rayleigh o lineal es causada por la interferencia con partículas más pequeñas que la longitud de onda de la luz. La luz que viaja a través de la fibra interactúa con las partículas que luego se difunden en todas las direcciones, provoca pérdidas de energía y atenuación durante la transmisión de datos. Esta es la teoría de Rayleigh o dispersión lineal en fibras ópticas.

preguntas frecuentes

1). ¿Qué causa la dispersión de Rayleigh o lineal?

Las causas de la dispersión de Rayleigh o lineal son el resultado de falta de homogeneidad en el revestimiento y el núcleo. Las variaciones en la densidad y composición y la fluctuación en el índice de refracción son los problemas que surgen debido a las faltas de homogeneidad.

2). ¿Quién descubrió la dispersión de Rayleigh?

Jean Guillaume Strut fue descubierto.

3). ¿Cuál es la diferencia entre la dispersión de Rayleigh y la de Mie?

En la dispersión de Rayleigh o lineal, el tamaño de las partículas de dispersión es menor que la longitud de onda de la radiación y en la dispersión de Mie, el tamaño de las partículas de dispersión y la longitud de onda de la radiación son iguales.

4). ¿Cuáles son los tres tipos de difusión?

Los tres tipos de dispersión son la dispersión de Rayleigh, la dispersión no selectiva y la dispersión de Mie.

5). ¿Qué es la relación de Rayleigh?

La relación de Rayleigh es uno de los parámetros que se utiliza para las mediciones de dispersión de luz.

En este artículo, una descripción general de Dispersión de Rayleigh o dispersión lineal, se analizan la dispersión de la luz, las pérdidas por dispersión y la diferencia entre la dispersión de Rayleigh y la de Mie. Aquí hay una pregunta: ¿cuáles son las causas de la difusión de Mie?