Нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО) - явление, основанное на проникновении световой
волны из оптически более плотной среды 1 (с показателем преломления n1)в менее плотную среду
2 (с показателем преломления n2)
на глубину порядка длины световой волны l в условиях
полного внутреннего отражения (ПВО), т. е. при падении света на границу
раздела сред под углом q,
большим критического qкр
= arcsin n21 (n21 = n2/n1). Нарушение ПВО заключается в том, что коэф. отражения R становится
меньше единицы вследствие поглощения света в слое, в к-рый проникает волна,
падающая на отражающую среду. Величина ослабления А = 1 - R отражённой
волны зависит от поляризации падающей волны, а также пропорциональна показателю
поглощения 
второй
среды. Это послужило основой для развития спектроскопии НПВО, имеющей ряд преимуществ
перед тра-диц. методами исследования спектров поглощения и отражения. Особенно
эффективен метод НПВО для исследований поверхностных оптич. свойств объектов,
а также для сильно поглощающих сред.
В отражающем слое амплитуда падающей волны E0
ослабляется в результате резонансного взаимодействия с молекулами
вещества (диполями). В поглощающей среде 2 образуется затухающая волна
E = E0
Х ехр(-z/dгл), где dгл- глубина проникновения,
на к-рой амплитуда волны ослабляется в е раз: dгл =
= (l/n1)2p (sin2q
- n221)1/2· Затухающая волна имеет три
составляющие в ортогональной системе координат xyz (в отличие от проходящей
волны, у к-рой поле E ортогонально к направлению распространения и не имеет
продольной составляющей). Амплитуды отражённых Ep и Es волн, поляризованных соответственно в плоскости отражения и перпендикулярно
ей, определяются вблизи границы (z = 0) через составляющие Е0x,
Е0y и E0z падающей волны:
Es = Е0у, Ер= (E20x+
+E20z)1/2- Составляющие E0x,
Е0у и E0z. являются функциями
n21 и q;
их зависимость от q представлена на рис. 1. Для единичной падающей амплитуды
вблизи qкr компонента E0y
= 2, компонента E0z в среде 1 уменьшается в (n2/n1)2 раз,
а в среде 2 E0x возрастает в 2n1/n2
раз, т. е. наиб. интенсивное эл--магн. поле в отражающей среде можно получить
с материалами, имеющими большие n1, поэтому в спектроскопии
НПВО используются материалы с большими n1. Наиб. ослабление
падающего света (при углах, близких к критическому) происходит за счёт диполей,
ориентированных по оси г, т. е. перпендикулярных границе раздела, а наименьшее
- для диполей, расположенных по оси х.
Рис. 1. Зависимость амплитуд электрического поля падающей волны от угла падения q.
Схема измерения оптич. постоянных n2
и 
, получаемых
из спектров НПВО с помощью Крамерса - Кронига соотношений и Френеля
формул, приведена на рис. 2 (I0 - интенсивность
падающей, I - интенсивность отражённой волн). Для выполнения условий
ПВО исследуемое вещество приводится в идеальный контакт с оптич. элементом (обычно
- призмой), прозрачным в выбранном диапазоне
частот, с большим показателем преломления n1 (кристаллы -
корунд, фианит, германий и др., оптич. керамика, халькогенидные стёкла и т.
п.). Нужный контакт легко достигается при исследовании жидкостей. Твёрдые тела
приводятся в оптический контакт с вспомогат. оптич. элементом,
где в качестве среды с большим n1 используется специально
выбранная жидкость. Труднее всего достичь оптич. контакта с исследуемым твёрдым
телом в УФ- и видимой области спектра, где l мала, поэтому наиб. широко
метод НПВО распространён в ИК-области. Для спец. задач физики твёрдого тела,
связанных с обнаружением поверхностных колебаний кристаллич. решётки (плазмонов,
поляритетов), такой зазор, по величине порядка l, подбирается специально.
В рентг. диапазоне эл--магн. волн вспомогат. оптич. элемент не требуется, поскольку
все вещества в этой области спектра имеют n2 < 1 и условие
n2 < n1 выполняется на границе с воздухом.
Для достижения идеального контакта используются также высокопреломляющие клеевые
среды, позволяющие получать в ИК-области высококачеств. спектры НПВО от разнообразных
объектов, не прибегая к спец. обработке поверхности образцов. Это даёт возможность
применять метод НПВО для неразрушающего способа контроля вещества. Применение
новых термопластичных оптич. сред обеспечивает оптич. контакт призмы с негладким
и неплоским объектом произвольной формы и даже при наличии на исследуемой поверхности
микронеровностей размером ~l.
Количественно величина ослабления светового потока
при отражении от поглощающей среды учитывается при замене n2
его комплексной величиной 
= n2 - - i
.
Показатель поглощения 
связан с натуральным показателем поглощения a,
определяемым традиц. фотометрич. методами (см. Поглощение света ),соотношением
a = 4p
/l.
В аналитич. практике, когда показатель ослабления A = 1 - R <=
0,1, с хорошей точностью выполняется приближение R = 1 - adэфф,
к-рое получается при разложении ф-л Френеля в ряд по a и ограничении первым
членом ряда. Параметр dэфф = dглn21E20/2соs
q наз. эфф. толщиной поглощающего слоя. Величина dэфф
определяется как геом. толщина образца, при к-рой в методе НПВО достигается
ослабление интенсивности отражённого света, равное по величине ослаблению света
при пропускании. Зависимость dГЛ и dэфф
от угла падения приведена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость глубины проникновения
dгл и эффективной толщины dэфф
от угла падения для s- и р-поляризаций света; n21=0,4.
На практике спектры НПВО обычно получают при
углах q > qкр.
Особенно эффективны методы НПВО для интервала
0,01 < 
<
1, тогда как при использовании метода поглощения в этом случае необходимы объекты
микронной толщины. Mалые 
измеряются при q
qкr,
и используется возникшая при этом поверхностная оптическая волна, распространяющаяся
вдоль поверхности исследуемого тела на сравнительно большое расстояние.
Для повышения контраста спектров НПВО часто применяется
многократное (N-кратное) отражение, что пропорционально увеличению dэфф;
при этом RN = = 1 - aNdэфф.
Спектры, полученные методом НПВО, качественно похожи на спектры поглощения,
что позволяет пользоваться при идентификации
спектров НПВО атласами и каталогами спектров поглощения.
Из спектров НПВО на основе поляризац. измерений,
комбинируя выражения для dsэфф и dрэфф,
можно определять толщину плёнки. Для этого используется соотношение (1-Rs)/(1
- Rp)= dsэфф/dpэфф,
к-рое позволяет найти ход дисперсии n2(l),
далее методом Крамерса - Кронига рассчитывается 
,
а затем, исходя из коэф. отражения в максимуме спектральной полосы, определяется
геом. толщина плёнки с точностью до 0,1 нм.
Разл. модификации метода НПВО широко применяются для изучения поверхностных эл--магн. волн, ад-сорбц. явлений, структуры тонких слоев и т. п. Явления НПВО следует учитывать при передаче световых сигналов на большие расстояния с помощью световодов.
В. M. Золотарёв
|
|
 |
