Cuando una onda electromagnética se encuentra con una interfaz, una parte de ella se refleja y otra parte se refracta (y a partir del índice de refracción puedo calcular los ángulos de propagación y las intensidades utilizando respectivamente las leyes de Snell y Fresnel).
Entonces sé que podría ocurrir otro proceso, la dispersión en la que la onda saliente no tiene una dirección específica y también puede tener una longitud de onda diferente (esto es lo que sucede en la dispersión Raman). Entonces, conociendo las propiedades físicas de los 2 medios (índice de refracción, etc.), ¿cómo puedo predecir cuándo se dispersará o refractará la onda incidente?
Analicemos primero los fenómenos en los que la longitud de onda no cambia. Estos se llaman lineales o elásticos .
Como señala, la reflexión, la refracción y la dispersión tienen su origen en la redirección de la luz por un medio. De hecho, todos tienen su origen en la dispersión. Como señala, la dispersión a menudo significa redirección en cualquier otra dirección.
Cuando el medio es uniforme u homogéneo en longitudes mucho mayores que una longitud de onda, las moléculas que componen el medio se excitan coherentemente , es decir, todas al mismo tiempo. Cada molécula vuelve a irradiar al paso de todas las demás. En este caso, la luz dispersada de cada molécula interfiere con la luz dispersada de todas las demás moléculas. Resulta bastante notable que el campo formado por toda esa luz dispersada es coherente con respecto al haz original. Surge una dirección de propagación bien definida. Refracción.
Si el medio es más pequeño que una longitud de onda, entonces no hay suficientes moléculas para que el campo disperso forme un haz coherente. La luz se apaga en otras direcciones. La dispersión de Rayleigh.
El caso intermedio, no mucho más pequeño que una longitud de onda, pero tampoco mucho más grande, es complicado, pero los principios básicos aún se aplican. Mie dispersión.
Cuando la longitud de onda cambia ( no lineal o inelástica ) se aplican los mismos comentarios. La única diferencia es que el medio permite interacciones que pueden quitar energía de la luz, cambiando su longitud de onda. Si el medio es pequeño, obtenemos, por ejemplo, dispersión Raman. Si el medio es grande y homogéneo, obtenemos una gran cantidad de fenómenos no lineales coherentes , como la generación de segundo armónico (SHG), la dispersión Coherent Anit-Stokes Raman (CARS) y más, en los que la luz re-irradiada se apaga en un solo , dirección bien definida.
Cuando una onda electromagnética se encuentra con una interfaz más o menos bien definida entre medios de diferentes índices de refracción n1 y n2, podemos describir el comportamiento en términos de reflexión y refracción, como bien explicas.
La situación más general: una onda electromagnética de cierta longitud de onda, que viaja en un medio con índice de refracción n1, incide en un objeto con índice de refracción n2. Entonces pueden suceder dos cosas: dispersión y absorción. En caso de dispersión, la onda se redirige en una dirección diferente, en caso de absorción, la onda se convierte en alguna otra forma de energía. Para un sistema simple, como un objeto esférico, las soluciones se pueden derivar analíticamente (ver dispersión de Rayleigh o Mie).
Desde este punto de vista, la conversión de la longitud de onda a a otra longitud de onda b mediante cualquier proceso no lineal, como la dispersión Raman o la generación de un segundo armónico, es parte de la absorción. Para calcular las eficiencias de estos procesos en un medio, necesitamos conocer la susceptibilidad no lineal (generalmente un tensor, por lo tanto, dependiente de la dirección). Esta cantidad depende de las simetrías en la estructura del material. En las interfaces, donde se rompen ciertas simetrías, algunos procesos no lineales son más eficientes, como la dispersión Raman.