倏逝波

2021-04-14 10:00:31 浏览:2949

定义

一束光以一定入射角从光密介质向光疏介质入射。当入射角小于一定角度时,光束在介质分界面会分为反射回光密介质的反射光和折射进入光疏介质的折射光。当入射角大于一定角度时,会发生全反射现象,折射光束消失,光束仅沿反射光束方向传播。在光束发生全反射位置,会产生沿光疏介质方向传播的倏逝波(Evanescent Wave)。

性质

 

图 1 单色平面波在两种分界面上的全反射

如图所示,单色平面波的入射面为平面,入射角为,介质1和介质2的分界面为平面,且,则有[1]

                                      式 1

                                             式 2

由式 1和式 2可以推导出式 3。

                                       式 3

如式 3所示,当发生全反射时,由于,则K2s必须为一虚数,即如式 4所示。

                                                   式 4

取参数K如式 5所示。

                                                    式 5

可将全反射时介质2中的透射光场表示为如式 6所示。

                                                式 6

式 6给出了一个相位沿x方向传播,振幅沿z方向衰减的平面波,称为倏逝波。

当介质1-介质2界面上发生全反射时,介质2中沿截面法线的平均能流密度为零,即没有能量向光疏介质的深层传播;但光疏介质中沿表面的平均能流密度不为零,既有能量沿光疏介质的表面层传播,其振幅随进入光疏介质的深度而作指数衰减。在距离界面处,倏逝波的振幅衰减为界面处的e-1倍,所以一般将距离作为倏逝波存在的介质层厚度,称为有效深度或穿透深度。

光强及穿透深度计算:

 

图 2 倏逝波示意图

如图 2所示为光束在交界面处发生全反射时在光疏介质产生倏逝波的示意图。图中为全反射临界角,为光束入射角,n1 、n2分别为光密介质和光疏介质折射率(n1>n2)。倏逝波光强沿Z轴方向呈指数性衰减,其强度表达式如式 7所示[2]。

                                                        式 7

式中d为穿透深度,表示全反射时倏逝波在光疏介质光强衰减至 1/e 时的穿透距离,其表达式如式 8所示,式中为入射光波长。

                                  式 8

应用

倏逝波的性质在SPPs共振传感器、近场探测器等近场光子学器件中具有很广泛的应用。

1989年出现的光子扫描隧道显微镜(PSTM)作为一种特殊形式的扫描近场光学显微镜[3], 利用光子隧道效应,用极细的光探针探测样品表面全内反射产生的倏逝波,以获得表面结构信息[4]从而对位于光导介质交界面处样本进行成像。

参考文献

[1] 邓燕. 浅谈倏逝波[J]. 科技资讯, 000(13):100,103.
[2] https://www.olympus-lifescience.com.cn/en/microscope-resource/primer/java/tirf/penetration/
[3] 郭宁, 高崧. 光子扫描隧道显微镜的光电成像系统研究[J]. 光学技术, 1994, 000(003):21-27.
[4] 王富生, 谭久彬. 表面微观轮廓的高分辨率光学测量方法[J]. 光学精密工程, 2000, 8(4).

荧光成像

作          者: 泮桥成像光电商城

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