ПОВЕ́РХНОСТНЫЕ ОПТИ́ЧЕСКИЕ ВО́ЛНЫ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПОВЕ́РХНОСТНЫЕ ОПТИ́ЧЕСКИЕ ВО́ЛНЫ (поверхностные поляритоны), электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух различных сред. Электромагнитные поля этих волн локализованы вблизи границы и затухают при удалении от неё в обе стороны. Граница раздела сред может быть плоской или шероховатой. Напряжённости электрич. $\boldsymbol E$ и магнитного $\boldsymbol H$ полей П. о. в. описываются уравнениями Максвелла с заданными граничными условиями. При распространении вдоль плоской границы (определяемой координатами $x$ и $y$) двух полубесконечных сред с зависящими от частоты $ω$ диэлектрич. проницаемостями $ε_1$ и $ε_2$ П. о. в. является частично продольной электромагнитной волной с вектором $\boldsymbol H$, перпендикулярным направлению её распространения и лежащим в плоскости поверхности. Вектор $\boldsymbol E$ имеет две составляющие, одна из которых параллельна направлению распространения волны, т. е. двумерному волновому вектору $\boldsymbol k_s$, а вторая компонента перпендикулярна поверхности. Каждая из компонент $A$ векторов напряжённости электрич. и магнитного полей на частоте $ω$ для плоской П. о. в., распространяющейся в направлении $x$, имеет вид: $$A=A_0\exp(±γ_{1,2}z)\exp[i(k_sx-ωt)],$$ где $A_0$ – амплитуда соответствующей компоненты, $γ_{1,2}\gt 0$ – коэф. затухания в средах 1 и 2; знак плюс относится к первой среде ($z\leqslant 0$), знак минус – ко второй среде ($z\geqslant 0$). Волновой вектор П. о. в. удовлетворяет дисперсионному соотношению $k_s=k_0\sqrt{ε_1ε_2/(ε_1+ε_2)}$, где $k_0=ω/c$, $c$ – скорость света в вакууме. Коэф. затухания определяются как $γ_1=k_s\sqrt{-ε_1/ε_2}$ и $γ_2=k_s\sqrt{-ε_2/ε_1}$. Из условия положительности величин $k_s$, $γ_1$ и $γ_2$ следует, что П. о. в. могут возникать только на границе раздела сред, диэлектрич. проницаемости которых имеют противоположные знаки. Напр., если $ε_1=0$, то $ε_2\lt 0$ и $∣ε_2∣\gt ε_1$. В этом случае вторую среду называют поверхностно-активной средой (ПАС). П. о. в. обычно возбуждаются на границе ПАС с воздухом или с прозрачным диэлектриком. Если в качестве ПАС используется металл или сильно легированный полупроводник, то условия возникновения П. о. в. выполняются в области аномальной дисперсии диэлектрич. проницаемости. Эта область занимает инфракрасный и видимый диапазоны частот, ограниченные сверху частотой поверхностного плазмона $ω_{ps}$, поскольку для частот $ω⩾ω_{ps}$ поверхностно-активный материал становится прозрачным и П. о. в. не возбуждаются.
П. о. в. могут возбуждаться на поверхности полупроводников и диэлектриков в среднем ИК-диапазоне, если их частоты попадают в область между частотами продольного и поперечного оптич. фононов. В этой области диэлектрич. проницаемость материалов обладает аномальной дисперсией. Такие волны часто называют фононными поляритонами. П. о. в. могут существовать также в частотной области, соответствующей экситонному поглощению полупроводников. В этом случае они называются экситонными поляритонами. Разработано неск. эффективных методов возбуждения П. о. в. светом: призменный, решёточный, а также метод возбуждения с помощью краевых диафрагм. П. о. в. видимого и инфракрасного диапазонов широко используются для прецизионной диагностики параметров поверхности и в оптич. микроскопии сверхвысокого разрешения. П. о. в. терагерцевого диапазона могут применяться в схемотехнике и транспортировке излучения.
Картина поведения П. о. в. на поверхности с шероховатым или периодически модулированным рельефом значительно усложняется по сравнению с рассмотренной выше. В этом случае П. о. в. возбуждаются при любых значениях диэлектрич. проницаемостей $ε_1(ω)$ и $ε_2(ω)$ (металлы, диэлектрики, полупроводники). При $|ε_2(ω)|$ o $|ε_1(ω)|$ могут возбуждаться как резонансные, так и нерезонансные П. о. в. При оптимальных условиях возбуждение резонансных волн сопровождается эффектами полного подавления зеркального отражения и 100%-ного поглощения света поверхностью при глубине модуляции поверхностного рельефа, много меньшей длины волны падающего излучения. При этом амплитуды резонансных П. о. в. в 15–20 раз превышают амплитуду падающей электромагнитной волны. Это ведёт к гигантскому усилению нелинейных оптич. процессов, происходящих вблизи поверхности.