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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.