Чудо  - Рациональность - Наука - Духовность

Клуб Исследователь - главная страница

ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ - это путь исследователя, постигающего тайны мироздания

Чем больше знаешь, тем больше убеждаешься что ни чего не знаешь...

Главная

Библиотека

О клубе
ГАИ "Алтай-Космопоиск"
Путеводитель по Алтаю
Маршруты (походы)
   Туризм

X-files

Наука и технологии

Техника и приборы

Косморитмодинамика

Новости

Фотоальбомы

Видеоальбомы

Карты (треки)

Прогноз погоды

Контакты

Форум

Ссылки, баннеры

 

Наш сайт доступен

на

52 языках

 

 
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
 
 
 
 
 
  Locations of visitors to this page
LightRay Рейтинг Сайтов YandeG Яндекс цитирования Яндекс.Метрика

 

Besucherzahler

dating websites

счетчик посещений

russian brides

contador de visitas

счетчик посещений

 

 

Здесь

может быть ваша реклама.

 

Наука и технологии

Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика"
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  Й  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Щ  Ы  Э  Ю  Я   По связи разделов
Нарушенное полное внутреннее отражение
Проникновение света из одной среды в другую через близкорасположенные границы в условиях полного внутреннего отражения

Анимация

Описание

При отражении световой волны от плоской границы двух диэлектриков со стороны диэлектрика, обладающего большим, по сравнению со вторым, значением диэлектрической проницаемости на световой частоте, e2<e1 (см. рис. 1) при углах падения выше некоторого порогового значения наблюдается явление полного внутреннего отражения (ПВО) света.

 

Нарушенное полное внутреннее отражение световой волны от плоской поверхности диэлектрика

 

 

Рис. 1

 

Ерi,si - р- и s- компоненты электрического поля падающей волны;

Ерr,sr - р- и s- компоненты электрического поля отраженной волны;

n - нормаль к отражающей поверхности;

e1,2 - диэлектрические проницаемости соответствующей среды на световой частоте;

ki,r - волновые вектора падающей и отраженной волны;

Еtp,ts - р- и s- компоненты электрического поля прошедшей волны.

 

Это явление состоит в том, что прошедшая через границу раздела волна исчезает, а отраженная волна становится равной по интенсивности падающей.

Вышеуказанное пороговое значение угла падения равно aTIR=arcsin[(e2/e1)1/2]. Несмотря на единичный коэффициент отражения по интенсивности, комплексная амплитуда и фаза отраженной волны существенно зависят от сотояния поляризации падающей волны и угла падения. Именно, зависимости амплитудного комплексного коэффициента отражения от угла падения волны на поверхность (см. рис. 1) существенно различны для случаев s- и р- линейно поляризованных падающих волн.

S-поляризованная волна - это волна, вектор линейной электрической поляризации которой лежит в плоскости отражающей поверхности диэлектрика. Р-поляризоапнная волна - это волна, вектор линейной электрической поляризации которой лежит в плоскости падения, то есть плоскости, задаваемой нормалью n к отражающей поверхности и волновым вектором кi падающей волны.

Указанные зависимости комплексных коэффициентов отражения р- и s- поляризованной волны от угла падения a задаются следующими выражениями, известными как формулы Френеля:

 

  (1)

 

Здесь e=e2/e1<1 - относительная диэлектрическая проницаемость двух сред. Легко видеть, что при выполнении условия ПВО (см. выше) величина под знаком квадратного корня в этих выражениях отрицательна. Таким образом rp,s представляют собой отношения пар комплексно сопряженных выражений, и соответственно равны по модулю единице, что и определяет единичный коэффициент отражения по интенсивности Rp,s=|rp,s|2 для обоих поляризаций падающей волны в случае ПВО. 

Однако не следует думать, что в этой ситуации поле световой волны в нижней среде (e2) отсутствует. Это бы противоречило элементарным граничным условиям, требующим непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей на границе двух сред.

На деле поле в нижней среде существует. Однако нормальная компонента волнового вектора волны Q в нижней среде оказывается мнимой. Действительно, она определяется из обычного закона дисперсии для нижней среды:

 

.  (2)

 

Здесь величина тангенциальной компоненты волнового вектора  определяется из обычного условия ее сохранения на границе раздела сред. Видно, что при a>aTIR величина в скобках в последнем выражении (2) отрицательна, тем самым Q мнимо.

Таким образом, волна в нижней среде представляет собой суперпозицию двух волн, распространяющихся вдоль границы раздела в направлении оси х (рис. 1). В то же время эти волны ведут себя “неправильно” вдоль оси z. Именно, одна из них экспоненциально затухает, а другая экспоненциально нарастает вдоль z. Тогда поле в нижней среде имеет вид:

 

.  (3)

 

Такие волны называются неоднородными волнами. В случае бесконечной по z среды e2 амплитуда второй из волн выражения (3) равна нулю (иначе в бесконечности соответствующая волна имела бы бесконечное значение поля). В таком случае имеется только одна затухающая неоднородная волна в среде e2 и перенос энергии в направлении отсутствует. Именно поэтому в случае обычного полного внутреннего отражения эти волны не отбирают энергию у падающей волны, и коэффициент отражения строго равен единице. Амплитуда Ein1 легко определяется из граничных условий на поверхности раздела первой и второй среды. Однако соответствующие выражения достаточно громоздки, и мы здесь их не приводим (см. ссылку [1]). Отметим только, что абсолютная величина ее того же порядка, что и амплитуда падающей волны.

Однако в случае пространственно ограниченной по z среды e2 ситуация кардинально меняется. Во-первых, Ein2 более не обязана быть равной нулю. Во-вторых, в самой нижней среде рис. 1 (для простоты изложения это тот же диэлектрик e1, что и верхняя среда) неизбежно возникает объемная волна, идентичная по направлению падающей. Это очевидно опять-таки из граничных условий на второй границе раздела. При этом ее амплитуда по порядку величины будет равна:

 

.  (4)

 

Здесь I - интенсивности соответствующих объемных волн. Видно, что вся изображенная на рис. 1 “сборка” из трех сред теперь обладает конечным (хотя вероятно и небольшим) коэффициентом пропускания Т по отношению к падающей волне:

 

.  (5)

 

Следует однако обратить вниманее на то, что Q сильно зависит от угла падения. В частности при a=aTIR  Q=0, а при aнезначительно превышающих aTIRQ»2psin(2aTIR)d/l. 

Здесь d - малое превышение угла падения над углом ПВО (в радианной мере). Таким образом при небольших d и тощине зазора d, соизмеримой с длиной волны, коэффициент пропускания может быть и весьма велик. В пределе d/0 он вообще единичен, что означает очевидную физически вещь: излучение перестает “видеть” слишком тонкий зазор, и волна распространяется как по сплошной среде с диэлектрической проницаемостью e1.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -15 до -13);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от -15 до -13);

Время оптимального проявления (log tk от -9 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация достаточно проста - см. схему на рис. 2.

 

Схема наблюдения явления нарушенного полного внутреннего отражения

 

 

 

Рис. 2

 

1 - стеклянные прямоугольные призмы;

2 - тонкая прокладка;

красным показаны световые пучки: падающий слева, отраженный вниз и прошедший вправо.

 

Нужно взять две одинаковые стеклянные призмы (для простоты прямоугольные равнобедренные, то есть 45-градусные) и соединить их гипотенузами как показано на рисунке, через прокладки. На левую призму направить слева перпендикулярно катету параллельный пучок света (проще всего гелий-неоновый лазер).

Первоначально, в случае довольно толстых (порядка 10-100 мкм) прокладок пучок будет полностью внутренне отражаться от гипотенузы первой призмы, и во вторую не проникнет. 

Однако при уменьшении толщины прокладок до примерно 3-4 мкм станет заметно, что пучок частично проникает во вторую призму, то есть на выходе из нее справа появится слабый пучок, прошедший в направлении исходно падающего. При дальнейшем уменьшении толщины прокладок прошедший пучок будет усиливаться, а отраженный слабеть.

Наконец если призмы соединить вообще без прокладок, как говорят на оптический контакт, отраженный пучок вообще исчезнет, а гипотенузные грани призмы станут визуально необнаружимы.

Применение эффекта

Явление нарушенного полного внутреннего отражения широко используется как в лабораторной практике, так и в оптической промышленности.

К лабораторным применениям следует в первую очередь отнести возбуждение поверхностных электромагнитных волн (поверхностных плазмонов) при помощи нарушенного полного внутреннего отражения в стеклянной призме, - на границе раздела металл-воздух. Для этого на гипотенузную грань стеклянной призмы либо напыляют тонкую (доли длины волны) металлическую пленку (т.н. геометрия Кречманна), либо пристыковывают к ней через тонкий воздушный зазор полированную поверхность массивного образца металла (т.н. геометрия Отто).

Что касается промышленных применений, то здесь в первую очередь следует упомянуть производство оптических элементов для расщепления пучка излучения на два с заданным соотношением интенсивностей. Такие элементы, конструкция которых полностью совпадает с представленной на рис. 2, называются “делительными кубиками” (beam splitting cubes), и широко применяются в самых различных микроскопах, автоколлиматорах, спектрометрах и т.п., а также в лазерной технике.

Литература

 1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.- М.: Наука, 1985.

 2. Ландсберг Г.С. Оптика.- М. Наука, 1976.

 3. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

Ключевые слова

  • световая волна
  • диэлектрик
  • отражение
  • амплитуда
  • полное внутреннее отражение
  • неоднородная волна
  • нарушенное полное внутреннее отражение
  • коэффициент пропускания

Разделы естественных наук:

Поляризация света
Распространение, отражение и преломление света
Электромагнитные колебания и волны

Формализованное описание Показать