Svenska optiktermer version 42.0 (2013-04-18)

Svenska optiktermer version 42.0 (2013-04-18)
Brytningsindex är en mycket använd materialparameter inom optiken. Benämningen
motiveras av att den bland annat bestämmer hur en ljusstråle bryts vid passage genom en
gränsyta mellan två optiska medier.
En tidigare definition av brytningsindex såsom kvoten mellan ljusfarten i vakuum och
ljusfarten i ett material behöver ändras för att ge en mer generell användning av begreppet.
(Nedan används hastighet för att inkludera både fart och riktning.)
12 (103)
Brytningsindex definieras här i stället som kvadratroten ur produkten av den relativa
permittiviteten och den relativa permeabiliteten för monokromatiskt ljus. Allmänt gäller att
brytningsindex beror mer eller mindre på ljusets frekvens och på att brytningsindex är en
komplex storhet där realdelen är relaterad till hastighet och imaginärdelen till dämpning.
Även permittiviteten, som beskriver materialets dielektriska egenskaper, och permeabiliteten,
som beskriver materialets magnetiska egenskaper, är komplexa parametrar.
För vanliga optiska medier är realdelarna av dessa två senare storheter positiva och
imaginärdelarna är små. Tecknet hos kvadratroten väljs så att realdelen blir positiv.
Realdelen är kvoten mellan fashastigheten i vakuum och fashastigheten i materialet. Här
gäller att grupphastighet, som är ljusenergins hastighet, och fashastighet har samma riktning.
För medier med negativ reell relativ permittivitet och negativ reell relativ permeabilitet väljs
den negativa kvadratroten, d.v.s. realdelen för brytningsindex blir negativ. Här gäller att
grupp- och fashastighet är motriktade. Det finns naturliga medier som vid optiska frekvenser
uppvisar negativ permittivitet, t.ex. metaller. Såvitt man vet finns inget naturligt optiskt
medium som dessutom uppvisar negativ permeabilitet, men med konstgjorda medier, s.k.
optiska metamaterial, kan man erhålla även negativ permeabilitet och därmed negativt
brytningsindex. Medier med negativt brytningsindex har fler annorlunda egenskaper än
normala material utöver motsatt grupp- och fashastighet. Exempelvis blir brytningsvinkeln
enligt brytningslagen motsatt, dopplerskiftet blir motsatt och perfekt avbildande linser blir i
princip möjliga.
För en ideal metall är brytningsindex rent imaginärt varvid begreppet fashastighet inte är
relevant. Ett imaginärt brytningsindex innebär att ljusfältet är evanescent dvs. avtar
exponentiellt.
Beroende på sammanhang kan det vara lämpligt att tydliggöra brytningsindexet med hjälp av
benämningar som negativt brytningsindex, imaginärt brytningsindex, komplext
brytningsindex etc.
I vågledarkomponenter där ljusutbredningen sker i kanaler vars tvärsnitt är i
storleksordningen 5–10 ggr ljusvåglängden, t.ex. optiska fibrer, bestäms ljushastigheten inte
enbart av brytningsindex i vågledarkanalen. Brytningsindex hos materialet som omger
vågledaren och vågledarens tvärsnittsarea och form spelar också roll. Man använder då
termen effektivt brytningsindex (eng. effective refractive index, effective index of refraction)
som anger kvoten mellan ljushastigheten i vakuum och ljushastigheten i vågledaren.
I vågledare är vågens hastighet också olika för olika utbredningsmoder, med undantag för
s.k. degenererade moder, varför man även använder termen modindex, med den engelska
motsvarigheten modal index.