НАРУ́ШЕННОЕ ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ

НАРУ́ШЕННОЕ ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ (НПВО), час­тич­ное про­ник­но­ве­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (в ча­ст­но­сти, све­та или ра­дио­волн) из оп­ти­че­ски плот­ной сре­ды 1 с по­ка­зате­лем пре­лом­ле­ния $n_1$ в слой ко­неч­ной тол­щи­ны $D$ гра­ни­ча­щей с ней ме­нее плот­ной сре­ды 2 с по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_2$ в ус­ло­ви­ях пол­но­го внут­рен­не­го от­ра­же­ния

(ПВО) на гра­ни­це сред ($n_1>n_2$). Ес­ли по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния сред не за­ви­сят от дли­ны вол­ны из­лу­че­ния, то не­об­хо­ди­мое ус­ло­вие ПВО вы­пол­ня­ет­ся при на­клон­ном па­де­нии из­лу­че­ния под дос­та­точ­но боль­шим уг­лом $γ$ к нор­ма­ли к гра­ни­це сред: $γ>γ_{\text{кр}}$ (кри­тич. угол $γ_{\text{кр}}$ оп­ре­де­ля­ет­ся из ус­ло­вия $\text{sin}\gamma_{\text{кр}}=n_2/n_1$).

В 1908 рос. фи­зик А. А. Эй­хен­вальд впер­вые тео­ре­ти­че­ски по­ка­зал, что да­же при вы­пол­не­нии это­го ус­ло­вия па­даю­щая вол­на не об­ры­ва­ет­ся на гра­ни­це сред, а час­тич­но про­ни­ка­ет в про­зрач­ную сре­ду 2; при этом её ам­пли­ту­да ос­ла­бе­ва­ет экс­по­нен­ци­аль­но внут­ри сре­ды 2 на глу­би­не $d$, рав­ной не­сколь­ким дли­нам волн. Это за­ту­ха­ние, ни­как не свя­зан­ное с по­гло­ще­ни­ем вол­ны, име­ет вол­но­вую при­ро­ду и не мо­жет быть опи­са­но как «от­ра­же­ние лу­чей» в гео­мет­рич. оп­ти­ке. Этот вы­вод вско­ре был под­твер­ждён опы­том Л. И. Ман­дель­шта­ма и П. Се­ле­ни (рис. 1). Свет па­да­ет че­рез бо­ко­вую стен­ку приз­мы в на­прав­ле­нии $AB$ на её ниж­нюю грань, по­гру­жён­ную во флуо­рес­ци­рую­щую жид­кость, под уг­лом, бо́ль­шим, чем угол ПВО $γ_{\text{кр}}$. От­ра­жён­ный свет рас­про­стра­ня­ет­ся в на­прав­ле­нии $BC$. В тон­ком слое жид­ко­сти, при­ле­гаю­щем к ниж­ней гра­ни приз­мы, вид­но све­че­ние флуо­рес­цен­ции, ос­ла­бе­ваю­щее в глу­би­не жид­ко­сти.

Эф­фект НПВО на­блю­да­ет­ся, ес­ли тол­щи­на $D$ со­из­ме­ри­ма с глу­би­ной за­ту­ха­ния $d$; при этом внутр. от­ра­же­ние вол­ны ста­но­вит­ся не­пол­ным, часть энер­гии вол­ны про­хо­дит че­рез слой, на­ру­шая ПВО. На­ру­ше­ния ПВО не вид­но, ес­ли $D≫d$.

НПВО мо­жет на­блю­дать­ся и при нор­маль­ном па­де­нии, ес­ли $n_2$ за­ви­сит от час­то­ты вол­ны (дис­пер­сия све­та

). Так, при нор­маль­ном па­де­нии вол­ны с час­то­той $ω$ на пло­ский слой га­зо­вой плаз­мы тол­щи­ной $d$, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ко­то­рой $n=(1-ω^2_{\text{пл}}/ω^2)^{1/2}$ ($ω_{\text{пл}}$ – плаз­мен­ная час­то­та, за­ви­ся­щая от плот­но­сти плаз­мы), слой про­зра­чен лишь для час­тот вы­ше плаз­мен­ной ($ω>ω_{\text{пл}}$). Для час­тот мень­ше $ω_{\text{пл}}$ по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ста­но­вит­ся мни­мой ве­ли­чи­ной, и вол­ны с час­то­той $ω<ω_{\text{пл}}$ не про­хо­дят че­рез плаз­му, а пол­но­стью от­ра­жа­ют­ся; од­на­ко при со­от­вет­ст­вую­щих зна­че­ни­ях па­ра­мет­ров $d$ и $D$ воз­мож­но воз­ник­но­ве­ние НПВО. В ча­ст­но­сти, эф­фект НПВО при­во­дит к час­тич­но­му про­са­чи­ва­нию (тун­не­ли­ро­ва­нию) ра­дио­волн че­рез плот­ные слои ио­но­сфер­ной плаз­мы. Эф­фект НПВО в мик­ро­ско­пии ближ­не­го по­ля по­зво­ля­ет по­нять, как ин­фор­ма­ция о суб­вол­нах пе­ре­да­ёт­ся в даль­нее по­ле. Ме­то­ды НПВО ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся при изу­че­нии по­верх­но­ст­ных элек­тро­маг­нит­ных волн, струк­ту­ры тон­ких сло­ёв, аб­сорб­ци­он­ных яв­ле­ний и др.

В свя­зи с по­яв­ле­ни­ем гра­ди­ент­ных на­но­ма­те­риа­лов

ин­те­ре­сен осо­бый слу­чай НПВО – без­от­ра­жа­тель­ное тун­не­ли­ро­ва­ние для час­тот $ω<ω_{\text{пл}}$, при ко­то­ром энер­гия элек­тро­маг­нит­ной вол­ны эф­фек­тив­но пе­ре­но­сит­ся че­рез плён­ку ди­элек­три­ка, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ко­то­рой рас­пре­де­лён по­пе­рёк слоя по оп­ре­де­лён­но­му за­ко­ну (рис. 2). Для та­кой гра­ди­ент­ной плён­ки, соз­дан­ной с по­мощью на­но­тех­но­ло­гии, воз­ни­ка­ет т. н. час­то­та от­сеч­ки $Ω$, оп­ре­де­ляе­мая тол­щи­ной слоя $d$ и про­фи­лем по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния; при тол­щи­нах по­ряд­ка 100 нм час­то­та $Ω$ ле­жит в об­лас­ти ви­ди­мых и ближ­них ИК-час­тот. Для не­ко­то­рых волн с час­то­той $ω<Ω$ , ко­то­рые фор­маль­но не мо­гут прой­ти че­рез плён­ку, в ре­зуль­та­те ин­тер­фе­рен­ции от­ра­жён­ных от гра­ниц слоя волн про­ис­хо­дит га­ше­ние от­ра­жён­но­го сиг­на­ла, при­во­дя­щее к эф­фек­ту НПВО с без­от­ра­жа­тель­ным пе­ре­но­сом до 100% энер­гии вол­ны. Та­кие на­но­п­лён­ки тол­щи­ной в неск. раз мень­ше дли­ны вол­ны пред­став­ля­ют ин­те­рес для соз­да­ния ми­ниа­тюр­ных по­ля­ри­за­то­ров, час­тот­ных фильт­ров и без­от­ра­жа­тель­ных по­кры­тий.

Эф­фек­ты НПВО воз­мож­ны и для волн др. фи­зич. при­ро­ды, напр. для зву­ка в дис­пер­ги­рую­щих сре­дах.