分散（波動現象）｜周波数による波の速度の違い

分散が生じる仕組み

微視的なレベルでは、分散は媒質の構成要素が異なる周波数にどう応答するかに由来する。束縛された電荷、共鳴、構造的な幾何学形状は、屈折率、あるいは波が受ける有効な剛性と慣性を変化させる。解析的には、この関係は角周波数と波数を結び付ける分散関係によって表される。その傾きは群速度を、比は位相速度を与える。群速度と位相速度が異なる場合、波束は変形し、パルスは広がる。

例と応用

光学プリズムと回折格子は、光を周波数ごとに分離するため、分散の古典的な実演例である。流体力学では、長い水面波と短い水面波は異なる速さで進み、海上の波列の形を決める。地震波は、地球を構成する物質が深さによって異なるため、分散を示す。電気通信では、分散は光ファイバーや有線チャネル内でパルスの広がりを引き起こし、データ伝送速度と伝送距離を制約する主要因となる。

• 種類には、材料（固有）分散、導波路（形状）分散、モード（マルチモード）分散がある。
• 光学的効果は、波長に対する屈折率の曲線によって測定でき、経験式でモデル化できる。
• スペクトル成分を制御する実用的な装置には、プリズム、回折格子、チャープミラーがある。

歴史と低減策

ニュートンらは、プリズムを用いて可視光における分散を初めて研究した。現代の工学では、不要な分散に対し、分散補償ファイバー、回折格子対、非線形パルス整形、適応等化といった補償技術を用いる。分散の測定は光学および無線工学で日常的に行われ、計測機器の分解能と通信帯域幅を向上させるうえで、今なお中心的な課題である。

より深い技術的な入門や実験データについては、分散性媒質における周波数依存性と速度に関する資料、ならびに屈折およびスペクトル解析（白色光、色スペクトル、虹）の実用的な解説を参照。