поверхностные оптическиеволны

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕВОЛНЫ (поверхностные поляритоны) - поверхностные эл--магн. волны оптич. диапазона, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и существующие одновременно в них обеих. Поля, переносимые этими волнами, локализованы вблизи поверхности и затухают по обе стороны от неё. П. о. в. являются частично продольными электромагнитными волнами ТМ-типа: магн. вектор Н, перпендикулярный направлению распространения П. о. в., лежит в плоскости поверхности; электрич. вектор имеет две составляющие: Е_х - вдоль волнового вектора k_s и Е_z - перпендикулярно поверхности (рис. 1, в). П. о. в. описываются ур-ниями Максвелла со стандартными граничными условиями. Распределение каждой из компонент (А)электрич. и магн. полей иа частоте w в плоской П. о. в., бегущей вдоль оси х (рис. 1, а), имеет вид

где А₀ - амплитуда,>0,>0 - коэф. затухания П. о. в. в средах 1 и 2, t - время. Знак (+) относится к среде 1 (z<0), ( - ) - к среде 2 (z>0) (рис. 1,6).

Рис. 1. Поверхностные оптические волны: а - ориентация электрического и магнитного векторов в поверхностной оптической волне, бегущей вдоль поверхности в направлении оси х; б - распределение полей в поверхностной оптической волне в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. 1 - для компонент Е_х и Н₁₁=Н, изменяющихся при z= 0 непрерывно; 2 - для компоненты Е_z, испытывающей при z = 0 скачок.

При заданной амплитуде магн. вектора А₀ -амплитуды остальных компонент равны:

где - диэтектрич. проницаемости сред 1 и 2 на частоте Волновой вектор k_s удовлетворяет дисперсионному соотношению

гдес - скорость света в вакууме. Коэф. затуханияиопределяются как

Из условия вещественности и положительности величин k_s,и следует, что П. о. в. могут существовать только на границе раздела двух сред с диэлектрич. проницаемостями разных знаков. Если в среде 1 > 0, то диэлектрич. проницаемость среды 2, т. и. поверхностно-активной среды (ПАС), должна удовлетворять условию

Обычно П. 0. в. возбуждают на границе ПАС с воздухом ( = 1) или др. прозрачным диэлектриком. Для металлов и легиров. полупроводников с высокой концентрацией свободных носителей неравенство (*) выполняется в области аномальной дисперсии диэлектрич. проницаемости, к-рая занимает весь ИК- и видимый (для металлов) диапазон частот и ограничена сверху частотой поверхностного плазмона (для частот металл становится прозрачным и П. о. в. не возбуждаются, см. Металлооптика ).На рис. 2 показана типичная дисперсионная кривая для П. о. в. на металле, или поверхностных плазмон-поляритонов (параметры и k_s нормированы соответственно на плазменную частоту электронов и k₀).

Рис. 2. Дисперсионная кривая поверхностных плазмон-поляритонов (1) на плоской границе раздела между простым металлом и вакуумом; - плазменная частота электронов; 2 - световая линия

П. о. в. могут также возбуждаться на поверхности полупроводников и диэлектриков в среднем ИК-диапазоне, в интервале между частотами продольного и поперечного оптич. фононов, где диэлектрич. проницаемость испытывает аномальную дисперсию. Соответствующие П. о. в. наз. также поверхностными фонон-поляритонамн. Существуют П. о. в. и в области экситонного поглощения на полупроводниках.
Разработано неск. эффективных методов возбуждения П. о. в. светом (рис. 3): призменный, решёточный и с помощью краевых диафрагм.

Рис. 3. Возбуждение поверхностных оптических волн светом: а - прнзменный метод, геометрия Отто; б - призменный метод, геометрия Кречманна; в - решёточный метод. 1 - диэлектрик (воздух); 2 - ПАС (металл); 3 - призма; 4 - падающее излучение; 5 - поверхностная оптическая волна; 6 - зеркально отражённое излучение; 7 - решётка; l - зазор размером ~; d - период решётки.

В призменном методе, существующем в двух модификациях (геометрия Отто, рис. 3, а и геометрия Кречманна, рис. 3, б), используется явление нарушенного полного внутреннего отражения при падении р-поляризованного излучения (поляризованного в плоскости падения) со стороны оптически более плотной среды под углом >arcsin где> - диэлектрич. проницаемость материала призмы. В этом случае П. о. в. возбуждаются на гладкой поверхности, где непосредственно это осуществить нельзя, т. к. волновой вектор П. о. в. больше волнового вектора света k₀ на той же частоте (рис. 2). При решёточном методе (рис. 3, в)П. о. в. возбуждаются в 1-м порядке дифракции падающего р-поляризованного излучения на решётках с периодом где - длина волны излучения, - эфф. показатель преломления границы раздела для П. о. в. В большинстве случаев источниками падающего излучения при возбуждении П. о. в. являются лазеры. Эффективность преобразования падающего объёмного излучения в П. о. в. в ИК-области достигает десятых долей, а в геометрии Кречманна для видимого света практически доходит до 1. Обратное преобразование П. о. в. в объёмное излучение также возможно с помощью призм и решёток.
Исследование и применение П. о. в. является перспективным и быстро развивающимся разделом оптики и спектроскопии твёрдого тела. Это обусловлено уникальными свойствами П. о. в., к-рые при распространении вдоль поверхности сосредоточены в ПАС в том же слое, что и объёмное излучение той же частоты (напр., в скин-слое металла толщиной 10^-6 - 10^-5 см). Длина пробега П. о. в. вдоль поверхности в ИК-области спектра может достигать неск. см и весьма чувствительна к процессам в поглощающем слое, к состоянию поверхности и её изменениям, наличию адсорбиров. слоев, плёнок, шероховатости и др. Это позволяет использовать метод возбуждения П. о. в. для исследования поверхности и границ раздела, а также для оптич. измерений, напр. измерения поглощения металлич. зеркал на уровне 0,01 с точностью до 10%. Интерес к П. о. в. и др. поверхностным эл--магн. возбуждениям связан также с тем, что в процессе лазерных воздействий на НАС обнаружены последствия их генерации. Среди них: гигантское комбииац. рассеяние адсорбпров. молекулами; усиленная генерация второй гармоники при отражении света от металлов; образование поверхностных периодич. структур и рост эффективного коэф. поглощения при нагреве металлов и полупроводников линейно поляризов. лазерным излучением; возбуждение ТЕ-поляритонов на границе линейной и нелинейной сред и др.

Лит.: Поверхностные поляритоны, под ред. В. М. Аграновича, Д. Л. Миллса, М., 1985.

М. Н. Либенсон.