一束光线从光密介质向光疏介质传播时, 若入射角大于临界角, 入射光线将全部反射回光密介质中, 这种现象称为全反射。但实验表明, 在全反射时光波在反射面的外侧并不立即消失, 而是透射进入光疏介质靠近界面附近很薄的一层表面, 沿界面传播一定距离, 最后返回光密介质。那么这种存在于界面附近的光波称为倏逝波。
倏逝波是一种非辐射近场波, 包含很多近场精细结构信息, 作为近场光学研究的核心内容, 在近场光学显微镜、光纤倏逝波生物传感器、表面等离子体光学元件等方面都具有很广泛的应用。Zeneck (1907) [1]和Sommer?eld (1909) [2]对金属表面趋肤效应的研究工作被认为是对倏逝电磁波存在的首次认知, 推动了传统的远场光学向近场光学的发展。1984年瑞士苏黎世IBM研究室的D.W.Pohl等人研制成功了世界上第一台近场扫描光学显微镜 (SNOM) [3], 在近场探测物体时, 探针尖端和倏逝波场之间发生相互作用, 产生一个同时包含传播和非传播分量的电磁场, 而传播分量就可以被远端的光电探测器所接受, 从而获得物体的近场信息。倏逝波和SPPs的结合可探究在近场光学中出现的新现象以及新颖的机制, 在纳米光子学器件方面的应用具有很广泛的前景, 如在SPPs传感器、SPPs光子芯片等等[4~6]。
1 倏逝波的存在条件和性质
图1所示, 单色平面波的入射面为y=0 (xz) 平面, 入射角为1θ, 介质1和介质2的分界面为z=0 (xy) 平面, 且n1>n2, 则有:
上式给出了一个相位沿x方向传播, 振幅沿z方向衰减的平面波, 称为倏逝波。当光在介质1-介质2界面上全反射时, 介质2中沿界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, 即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1-==kdzz处, 倏逝波的振幅衰减为界面处的-1e倍, 所以一般将距离zd作为倏逝波存在的介质层厚度, 称为有效深度或穿透深度, 其大小可表示为:
若1n=1.55, 2n=1, 1θ=450, 则dz=0.61λ1因此倏逝波的穿透深度为波长量级。倏逝波又是一个沿x方向传播的行波, 其相速度为:
由于sinθ1>n2/n1, 故v<2v, 可见倏逝波沿x方向传播的相速度比一般情况下电磁波在介质中传播的相速度小, 故称之为慢波。
2 倏逝波的应用
倏逝波的性质在SPPs共振传感器、近场探测器件等近场光子学器件中具有很广泛的应用[7,8]。SPPs是表面电磁波和表面电子振荡的一种混合模式。由于它的波矢大于同一频率下光子的波矢, 因此一般的光激发不能激发表面等离子体。倏逝波属于一种非辐射近场光波, 当入射波以某一角度或某一波长入射时, 倏逝波的近场波矢和表面等离子体的波矢相等二者将发生共振, 即表面等离子体共振 (S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e, S P R) 。此时入射光的能量将耦合到表面等离子体中, 使得反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率发生变化时, 共振峰位置将不同。利用这个原理开发了多种类型的传感器, 如棱镜型、光纤型、光栅型和集成波导型等[9~10]。
图2为kretschmann型的棱镜耦合型SPR传感器, 在表面等离子体共振仪器中被广泛采用。当入射光波的入射角度大于临界角时, 在棱镜-金属界面处会产生一个倏逝波, 只要金属膜的厚度在倏逝波的穿透深度之内, 在金属-空气界面上会产生SPR共振。
倏逝波结合SPPs还可以探究在近场光学中所出现的新现象、新原理以及新机制。1998年, Ebbesen在Nature上发表了关于金属薄膜微孔点阵具有远场透过增强效应的著名论文。这种用传统电磁衍射理论无法解释的奇异现象 (Ebbesen效应) 引起了众多研究者的关注。二维孔径阵列透过增强是由表面等离子体激元谐振增强光子隧道效应造成的。光照射在金属膜面产生的倏逝波经过端面表面等离子体激元近场增强效应的有效放大, 沿着孔径传向出射端, 在出射端同样经过表面等离子体激元的放大, 最终形成远场增强透过现象。
3 结语
随着表面等离子体光子学这门新兴学科的发展, 倏逝波的重要性越来越突显出来。当光发生全反射时, 在两种介质的界面附近存在着倏逝波, 使得它拥有许多近场信息, 有利于分析物体近场范围内的精细结构、场分布等性质, 对制作各种纳米光子学器件起到非常重要的作用。
摘要：倏逝波 (Evanescent Wave) 是一种非辐射近场波, 包含很多近场精细结构信息, 是近场光学研究的核心内容。倏逝波与表面等离子体激元 (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) 的新颖结合, 引起了研究者们的许多关注, 在SPPs元器件和回路、纳米波导、SPPs光开关等方面具有很广阔的应用前景。文章介绍了倏逝波的存在条件和相关性质, 并简述了与SPPs结合的相关应用。
关键词：全反射,倏逝波,表面等离子体激元
参考文献
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