Особая поверхностная волна (ОПВ) как условие максимального уси­ления интенсивности эванесцентной электромагнитной волны в прозрач­ной диэлектрической среде

Как известно, в условиях ПВО в оптически менее плотной среде сущест­вование неоднородных эванесцентных волн возможно даже в отсутствии по­глощения (в частности, в оптически прозрачных средах).

где- поверхностный импеданс для ЭМ волны с поляризацией

а = s,р в оптически более плотноеи менее плотной (Z_a)средах, соответ­ственно. Однако условие достижения максимума коэффициента прохождения объемной ТМ-волныотвечает Z_p=Q,т.е. возбужде­

нию в оптически менее плотной, изотропной среде особой объемной волны

47

(OOB) с поляризацией p-типа⁵. Таким образом, вопрос об условиях достижения в области ПВО максимума интенсивности эванесцентной волны TM- или ТЕ- типа, бегущей вдоль границы раздела прозрачных диэлектрических сред, фак­тически остался открытым. Вместе с тем, в соответствии со своим определени­ем, OOB ТМ-типа по своим электродинамическим характеристикам (Z_p=Q) удовлетворяет границе раздела “изотропный диэлектрик - идеальный металл“ [16,17].

В связи с этим, целью данного подраздела является определение необхо­димых условий, при выполнении которых для границы раздела оптически про­зрачных сред можно, за счет наложения внешнего постоянного магнитного или электрического поля, реализовать максимальное (четырехкратное) усиление интенсивности эванесцентных волн TM- или ТЕ-типа. В качестве примера рас­смотрим плоскую границу раздела двух прозрачных полуограниченных немаг­нитных сред с нормалью к границе раздела q, считая, как и в случае (2.1.1), что верхнее полупространство занято оптически более плотной немагнитной сре­дой, изотропной по своим ЭМ свойствам. Для нее соответствующие материаль­ные соотношения можно представить в виде (1.1.1).

В этом случае выражения для поверхностных импедансов в оптически более плотной среде в зависимости от поляризации волны определяются как в (1.1.6). Что же касается нижнего полупространства, то будем полагать, что оно

⁵особая объемная волна - это однопарциальная волна, у которой в любой момент времени мгновенный поток энергии через границу раздела сред равен нулю [17,62].

48

занято оптически прозрачным диэлектриком (1.1.2), (1.1.4). Как результат, в плоскости векторов qи bв рассматриваемой модели диэлектрика возможно независимое распространение нормальных поляритонов TM- или ТЕ-типа с дисперсионными соотношениями (1.1.7-8).

Совместный анализ (1.1.7-8) и (1.1.11) - (1.1.13) показывает, что и в рас­сматриваемом случае (внутри области ПВО) максимальное (четырехкратное) усиление интенсивности эванесцентной волны TM- или ТЕ-типаоп­

ределяется условием Z_a =0, но теперь оно реализуется не на границе области ПВО (при _l9 = B_ac), а внутри нее (приПри этом частота ω и угол па­

дения (проекция волнового вектора к на границу раздела сред h) объемной ЭМ волны (ТЕ- или ТМ-типа) в верхней, оптически изотропной среде с учетом (1.1.6), (1.1.12) одновременно удовлетворяют одному из следующих соотноше­ний

Вследствие (1.1.6), (2.1.2), для волны с заданной поляризацией a = р (a = s)π области ПВОодновременно также выполнены условия:

Здесь S_a- вектор Пойтинга эванесцентной волны с поляризацией а в оп­тически менее плотной среде , φ_a- фазовый сдвиг объемной волны с поляриза­цией а, отраженной от поверхности рассматриваемого одноосного диэлектрика в верхнюю, оптически более плотную среду. Анализ COOT-

49

ношений (2.1.2) и (1.1.6) - (1.1.8) показывает, что при а = р соответствующее дисперсионное соотношение в (2.1.2) отвечает поверхностному ТМ-поляритону с ⅛∈XY, распространяющемуся вдоль границы раздела “немагнитный диэлек­трик - идеальный электрический проводник (формально Z_p = 0)”.

конфигурации вдоль границы раздела “немагнитный диэлектрик - идеальный магнитный проводник (формально Z_s= 0)”. Вследствие (2.1.2)-(2.1.3), у этого класса бегущих ЭМ волн в произвольный момент времени групповая скорость параллельна границе раздела сред (равен нулю поток энергии через границу раздела сред ((S_aq) = 0)). Таким образом, следуя аналогии с особыми объемны­ми волнами TM- типа из [17,64], определяемые (1.1.6) -(1.1.8), (2.1.2) - (2.1.3) поверхностные поляритонные возбуждения можно назвать особыми поверхно­стными волнами TM- и ТЕ-типа. Что же касается границы области ПВО

, то, как показывает анализ, в рассматриваемом случае для формирую­щейся в оптически менее плотной среде волны TM- или ТЕ-типаодна­

ко теперь она не является особой, поскольку для нее одновременно выполнены соотношения:

В этом случае, как показывает расчет, поток энергии через границу раздела сред равен нулю только в среднем за период колебаний (см. также [12,59]), вследствие чего условие максимального усиления интенсивности эванесцент- ной волны не достигается

Как известно, в условиях ПВО существование неоднородных эванесцент­ных волн возможно даже в отсутствии поглощения (в частности, в оптически прозрачных средах). В последние годы резко возрос интерес к условиям фор­мирования и свойствам этого типа ЭМ возбуждений.

50

нирующей туннельной микроскопии), поскольку использование ЭВ позволяет выйти за рамки дифракционного предела. В этих условиях ключевым вопросом является анализ условий формирования и свойств распространяющихся ЭВ. В частности было показано, что на границе раздела оптически изотропных непо­глощающих сред усиление интенсивности эванесцентных волн ТМ-типа дости­гается при угле падения, равном предельному углу ПВО [27]. При этом из ана­лиза френелевских амплитудных коэффициентов следует, что отмеченное в [27] условие достижения максимума коэффициента прохождения объемной TM- волны отвечает возбуждению в оптически менее плотной среде особой пре­дельной объемной волны с поляризацией р-типа .

Таким образом, вопрос о возможности достижения в условиях ПВО мак­симума усиления для эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа, бегущей вдоль границы раздела непроводящих прозрачных сред, фактически остался откры­тым. Однако до сих пор анализ эффекта усиления эванесцентных волн прово­дился исключительно в немагнитных средах [27]. Кроме того, в связи с освое­нием ПК диапазона, несомненный интерес представляет и также анализ свойств эванесцентных волн в магнитно упорядоченных средах, в частности, антифер­ромагнетиках, поскольку в этом типе магнитных материалов частоты АФМ ре­зонанса вследствие больших внутренних магнитных полей лежат в терагерце- вом частотном диапазоне. Кроме того, хорошо известно, что резонансные ха­рактеристики АФМ сред чувствительны не только к характеру магнитного упо­рядочения, но и к воздействию внешних полей, в частности, электрического [65]. При этом следует отметить, что уже в коллинеарной фазе скомпенсиро­ванного АФМ с центром симметрии (ЦС АФМ) в постоянном внешнем элек­трическом поле E₀, ортогональном или коллинеарном легкой магнитной оси, по своим электродинамическим свойствам становится подобен омега- структуре [66-68]. Что же касается легкоплоскостной слабо ферромагнитной фазы, то при указанных выше ориентациях E₀ЦС АФМ по своим электроди­намическим свойствам отвечает невзаимной киральной омега-среде [69-71].

51

го воздействия с помощью постоянного внешнего электрического поля не толь­ко на характер рефракции объемной волны TM- или ТЕ-типа на границе разде­ла “немагнетик- антиферромагнетик”, но и на условия формирования и свойст­ва эванесцентных волн той же поляризации, распространяющихся в условиях ПВО вдоль границы раздела магнитной и немагнитной сред.

До сих пор возможность целенаправленного влияния на условия дости­жения в условиях ПВО максимума интенсивности возбуждения эванесцентной волны TM- или ТЕ-типа обсуждалась только в общем виде. В связи с этим це­лью следующего подраздела является анализ влияния постоянного внешнего электрического поля на условия формирования и свойства эванесцентных волн TM- и ТЕ-типа вблизи границы раздела “немагнетик - скомпенсированный ЦС АФМ”.

Результаты данного раздела были опубликованы в [4-а].

2.2.