ПОВЕ́РХНОСТНЫЕ ОПТИ́ЧЕСКИЕ ВО́ЛНЫ

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.