Нарушенное полное внутреннее отражение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

В отражающем слое амплитуда падающей волны E₀ослабляется в результате резонансного взаимодействия с молекулами вещества (диполями). В поглощающей среде 2 образуется затухающая волна E = E₀

Х ехр(-z/d_гл), где d_гл- глубина проникновения, на к-рой амплитуда волны ослабляется в е раз: d_гл = = (l/n₁)2p (sin²q - n²₂₁)^1/2· Затухающая волна имеет три составляющие в ортогональной системе координат xyz (в отличие от проходящей волны, у к-рой поле E ортогонально к направлению распространения и не имеет продольной составляющей). Амплитуды отражённых E_p и E_s волн, поляризованных соответственно в плоскости отражения и перпендикулярно ей, определяются вблизи границы (z = 0) через составляющие Е_0x, Е_0y и E_0z падающей волны: E_s = Е_0у, Е_р= (E²_0x+ +E²_0z)^1/2- Составляющие E_0x, Е_0у и E_0z. являются функциями n₂₁ и q; их зависимость от q представлена на рис. 1. Для единичной падающей амплитуды вблизи q_кr компонента E_0y = 2, компонента E_0z в среде 1 уменьшается в (n₂/n₁)² раз, а в среде 2 E_0x возрастает в 2n₁/n₂ раз, т. е. наиб. интенсивное эл--магн. поле в отражающей среде можно получить с материалами, имеющими большие n₁, поэтому в спектроскопии НПВО используются материалы с большими n₁. Наиб. ослабление падающего света (при углах, близких к критическому) происходит за счёт диполей, ориентированных по оси г, т. е. перпендикулярных границе раздела, а наименьшее - для диполей, расположенных по оси х.

Рис. 1. Зависимость амплитуд электрического поля падающей волны от угла падения q.

Схема измерения оптич. постоянных n₂ и

, получаемых из спектров НПВО с помощью Крамерса - Кронига соотношений и Френеля формул, приведена на рис. 2 (I₀ - интенсивность падающей, I - интенсивность отражённой волн). Для выполнения условий ПВО исследуемое вещество приводится в идеальный контакт с оптич. элементом (обычно - призмой), прозрачным в выбранном диапазоне частот, с большим показателем преломления n₁ (кристаллы - корунд, фианит, германий и др., оптич. керамика, халькогенидные стёкла и т. п.). Нужный контакт легко достигается при исследовании жидкостей. Твёрдые тела приводятся в оптический контакт с вспомогат. оптич. элементом, где в качестве среды с большим n₁ используется специально выбранная жидкость. Труднее всего достичь оптич. контакта с исследуемым твёрдым телом в УФ- и видимой области спектра, где l мала, поэтому наиб. широко метод НПВО распространён в ИК-области. Для спец. задач физики твёрдого тела, связанных с обнаружением поверхностных колебаний кристаллич. решётки (плазмонов, поляритетов), такой зазор, по величине порядка l, подбирается специально. В рентг. диапазоне эл--магн. волн вспомогат. оптич. элемент не требуется, поскольку все вещества в этой области спектра имеют n₂ < 1 и условие n₂ < n₁ выполняется на границе с воздухом. Для достижения идеального контакта используются также высокопреломляющие клеевые среды, позволяющие получать в ИК-области высококачеств. спектры НПВО от разнообразных объектов, не прибегая к спец. обработке поверхности образцов. Это даёт возможность применять метод НПВО для неразрушающего способа контроля вещества. Применение новых термопластичных оптич. сред обеспечивает оптич. контакт призмы с негладким и неплоским объектом произвольной формы и даже при наличии на исследуемой поверхности микронеровностей размером ~l.

Количественно величина ослабления светового потока при отражении от поглощающей среды учитывается при замене n₂ его комплексной величиной

= n₂ - - i

. Показатель поглощения

связан с натуральным показателем поглощения a, определяемым традиц. фотометрич. методами (см. Поглощение света ),соотношением a = 4p

/l. В аналитич. практике, когда показатель ослабления A = 1 - R <= 0,1, с хорошей точностью выполняется приближение R = 1 - ad_эфф, к-рое получается при разложении ф-л Френеля в ряд по a и ограничении первым членом ряда. Параметр d_эфф= d_глn₂₁E²₀/2соs q наз. эфф. толщиной поглощающего слоя. Величина d_эфф определяется как геом. толщина образца, при к-рой в методе НПВО достигается ослабление интенсивности отражённого света, равное по величине ослаблению света при пропускании. Зависимость d_ГЛ и d_эфф от угла падения приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость глубины проникновения d_гли эффективной толщины d_эфф от угла падения для s- и р-поляризаций света; n₂₁=0,4.

На практике спектры НПВО обычно получают при углах q > q_кр. Особенно эффективны методы НПВО для интервала 0,01 <

< 1, тогда как при использовании метода поглощения в этом случае необходимы объекты микронной толщины. Mалые

измеряются при q

q_кr, и используется возникшая при этом поверхностная оптическая волна, распространяющаяся вдоль поверхности исследуемого тела на сравнительно большое расстояние.

Для повышения контраста спектров НПВО часто применяется многократное (N-кратное) отражение, что пропорционально увеличению d_эфф; при этом RN = = 1 - aNd_эфф. Спектры, полученные методом НПВО, качественно похожи на спектры поглощения, что позволяет пользоваться при идентификации спектров НПВО атласами и каталогами спектров поглощения.

Из спектров НПВО на основе поляризац. измерений, комбинируя выражения для d_s_эфф и d_р_эфф, можно определять толщину плёнки. Для этого используется соотношение (1-R_s)/(1 - R_p)= d_s_эфф/d_p_эфф, к-рое позволяет найти ход дисперсии n₂(l), далее методом Крамерса - Кронига рассчитывается

, а затем, исходя из коэф. отражения в максимуме спектральной полосы, определяется геом. толщина плёнки с точностью до 0,1 нм.

Разл. модификации метода НПВО широко применяются для изучения поверхностных эл--магн. волн, ад-сорбц. явлений, структуры тонких слоев и т. п. Явления НПВО следует учитывать при передаче световых сигналов на большие расстояния с помощью световодов.

Литература по нарушенному полному внутреннему отражению

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.