НАРУШЕННОЕ ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ

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 q _кр = 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 E_0. ослабляется в результате резонансного взаимодействия с молекулами вещества (диполями). В поглощающей среде 2 образуется затухающая волна E= E₀ Х ехр(-z/d _гл), где d _гл- глубина проникновения, на к-рой амплитуда волны ослабляется в е раз: d _гл = = (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 E_p и E_s волн, поляризованных соответственно в плоскости отражения и перпендикулярно ей, определяются вблизи границы (z= 0) через составляющие Е_0x, Е_0y и E_0z падающей волны: E_s= Е_{0 у}, Е _р=(E²_0x+ +E²_0z)^1/2- Составляющие E_0x, Е_{0 у} и E_0z. являются ф-циями n₂₁ и q; их зависимость от q представлена на рис. 1. Для единичной падающей амплитуды вблизи q _кr компонента E_0y =2, компонента E_0z в среде 1 уменьшается в (n₂/n₁)² раз, а в среде 2 E_0x 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 свспомогат. 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 - ad _эфф, к-рое получается при разложении ф-л Френеля в ряд по a и ограничении первым членом ряда. Параметр d _эфф = d _глn₂₁E²₀/2соs q наз. эфф. толщиной поглощающего слоя. Величина d _эфф определяется как геом. толщина образца, при к-рой в методе НПВО достигается ослабление интенсивности отражённого света, равное по величине ослаблению света при пропускании. Зависимость d _ГЛ и d _эфф от угла падения приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость глубины проникновения d _гл и эффективной толщины d _эфф. от угла падения для s- и р -поляризаций света; n₂₁=0,4.

На практике спектры НПВО обычно получают при углах q > q _кр. Особенно эффективны методы НПВО для интервала 0,01 < < 1, тогда как при использовании метода поглощения в этом случае необходимы объекты микронной толщины. Maлые измеряются при q q _кr, 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 d _эфф; при этом RN == 1 - aNd _эфф. 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 d_{s эфф} и d _{р эфф}, можно определять толщину плёнки. Для этого используется соотношение (1-R_s)/(1 - R_p)= d_{s эфф}/d_{p эфф}, 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.

Лит.: Золотарёв В. M., Кисловский Л. Д., О возможностях изучения контуров полос в спектрофотомет-рии НПВО, "Оптика и спектроскопия", 1965, т. 19, с. 809; Xар-рик H., Спектроскопия внутреннего отражения, пер. с англ., M., 1970; Золотарёв В. M., Лыгин В. И.,T apace-вич Б. H., Спектры внутреннего отражения поверхностных соединений и адсорбированных молекул, "Успехи химии", 1981, т. 50, с. 24. В. M. Золотарёв.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.