Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ (поверхностные поляритоны) - поверхностные эл.-магн. волны оптич. диапазона, <распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и существующие одновременнов них обеих. Поля, переносимые этими волнами, локализованы вблизи поверхностии затухают по обе стороны от неё. П. о. в. являются частично продольнымиэлектромагнитными волнами ТМ-типа: магн. вектор Н, перпендикулярныйнаправлению распространения П. о. в., лежит в плоскости поверхности; электрич. <вектор имеет две составляющие: Е _х - вдоль волнового вектора k_s и Е _z - перпендикулярно поверхности(рис. 1, в). П. о. в. описываются ур-ниями Максвелла со стандартными граничнымиусловиями. Распределение каждой из компонент ( А )электрич. и магн. <полей иа частоте wв плоской П. о. в., бегущей вдоль оси х (рис. 1, а), имеет вид

где А ₀- амплитуда, , - коэф. затухания П. о. в. в средах 1 и 2, t - время. Знак (+) относитсяк среде 1 (z>0), ( - ) - к среде 2 (z<0) (рис. 1,6).

Рис. 1. Поверхностные оптические волны: а - ориентация электрического и магнитного векторов в поверхностнойоптической волне, бегущей вдоль поверхности в направлении оси х; б- распределение полей в поверхностной оптической волне в плоскости, перпендикулярнойнаправлению распространения. 1 - для компонент Е _х и Н₁₁= Н, изменяющихся при z= 0 непрерывно;2 - для компоненты Е _z, испытывающей при z= 0 скачок.

При заданной амплитуде магн. вектора А₀- амплитудыостальных компонент равны:

где - диэтектрич. проницаемости сред 1 и 2 на частоте Волновой вектор k_s удовлетворяет дисперсионному соотношению

где .- скорость света в вакууме. Коэф. затухания и определяютсякак

Из условия вещественности и положительностивеличин k_s, и следует, что П. о. в. могут существовать только на границе раздела двухсред с диэлектрич. проницаемостями разных знаков. Если в среде 1

Обычно П. 0. в. возбуждают на границе ПАСс воздухом (= 1) или др. прозрачным диэлектриком. Для металлов и легиров. полупроводниковс высокой концентрацией свободных носителей неравенство (*) выполняетсяв области аномальной дисперсии диэлектрич. проницаемости, к-рая занимаетвесь ИК- и видимый (для металлов) диапазон частот и ограничена сверху частотойповерхностного плазмона (для частот металл становится прозрачным и П. о. в. не возбуждаются, см. Металлооптика). Нарис. 2 показана типичная дисперсионная кривая для П. о. в. на металле, или поверхностных плазмон-поляритонов (параметры и k_s нормированы соответственно на плазменную частотуэлектронов и k₀).

Рис. 2. Дисперсионная кривая поверхностныхплазмон-поляритонов (1) на плоской границе раздела между простым металломи вакуумом;- плазменная частота электронов; 2 - световая линия

П. о. в. могут также возбуждаться на поверхностиполупроводников и диэлектриков в среднем ИК-диапазоне, в интервале междучастотами продольного и поперечного оптич. фононов, где диэлектрич. проницаемостьиспытывает аномальную дисперсию. Соответствующие П. о. в. наз. также поверхностнымифонон-поляритонамн. Существуют П. о. в. и в области экситонного поглощенияна полупроводниках.

Разработано неск. эффективных методоввозбуждения П. о. в. светом (рис. 3): призменный, решёточный и с помощьюкраевых диафрагм.

Рис. 3. Возбуждение поверхностных оптическихволн светом: а - прнзменный метод, геометрия Отто; б - призменныйметод, геометрия Кречманна; в- решёточный метод.1 - диэлектрик(воздух); 2 - ПАС (металл); 3 - призма;4 - падающееизлучение; 5 - поверхностная оптическая волна;6 - зеркальноотражённое излучение; 7 - решётка; l - зазор размером ~;d- период решётки.

В призменном методе, существующем в двухмодификациях (геометрия Отто, рис. 3, а и геометрия Кречманна, рис.3, б), используется явление нарушенного полного внутреннего отражения при падении р -поляризованного излучения (поляризованного в плоскостипадения) со стороны оптически более плотной среды под углом где - диэлектрич. проницаемость материала призмы. В этом случае П. о. в. возбуждаютсяна гладкой поверхности, где непосредственно это осуществить нельзя, т. <к. волновой вектор П. о. в. больше волнового вектора света k₀ на той же частоте (рис. 2). При решёточном методе (рис. 3, в )П. <о. в. возбуждаются в 1-м порядке дифракции падающего р -поляризованного излучения на решёткахс периодом где - длина волны излучения,- эфф. показатель преломления границы раздела для П. о. в. В большинствеслучаев источниками падающего излучения при возбуждении П. о. в. являютсялазеры. Эффективность преобразования падающего объёмного излучения в П. <о. в. в ИК-области достигает десятых долей, а в геометрии Кречманна длявидимого света практически доходит до 1. Обратное преобразование П. о. <в. в объёмное излучение также возможно с помощью призм и решёток.

Исследование и применение П. о. в. являетсяперспективным и быстро развивающимся разделом оптики и спектроскопии твёрдоготела. Это обусловлено уникальными свойствами П. о. в., к-рые при распространениивдоль поверхности сосредоточены в ПАС в том же слое, что и объёмное излучениетой же частоты (напр., в скин-слое металла толщиной 10^-6 - 10^-5 см). Длина пробега П. о. в. вдоль поверхности в ИК-области спектра можетдостигать неск. см и весьма чувствительна к процессам в поглощающем слое, <к состоянию поверхности и её изменениям, наличию адсорбиров. слоев, плёнок, <шероховатости и др. Это позволяет использовать метод возбуждения П. о. <в. для исследования поверхности и границ раздела, а также для оптич. измерений, <напр. измерения поглощения металлич. зеркал на уровне 0,01 с точностьюдо 10%. Интерес к П. о. в. и др. поверхностным эл.-магн. возбуждениям связантакже с тем, что в процессе лазерных воздействий на НАС обнаружены последствияих генерации. Среди них: гигантское комбииац. рассеяние адсорбпров. молекулами;усиленная генерация второй гармоники при отражении света от металлов; образованиеповерхностных периодич. структур и рост эффективного коэф. поглощения принагреве металлов и полупроводников линейно поляризов. лазерным излучением;возбуждение ТЕ-поляритонов на границе линейной и нелинейной сред и др.

Лит.: Поверхностные поляритоны, <под ред. В. М. Аграновича, Д. Л. Миллса, М., 1985.

М. Н. Либенсон.