Evanescent -feltet - Evanescent field
I elektromagnetikk er et flyktig felt eller en svingende bølge et oscillerende elektrisk og/eller magnetisk felt som ikke forplanter seg som en elektromagnetisk bølge, men hvis energi er romlig konsentrert i nærheten av kilden (oscillerende ladninger og strømninger). Selv når det er en forplanter elektromagnetisk bølge produsert (for eksempel ved en sendeantenne ), kan man likevel identifisere som et flyktig felt komponenten av det elektriske eller magnetiske felt som ikke kan tilbakeføres til den bølgen som forplanter observert ved en avstand på flere bølgelengder ( for eksempel fjernfeltet til en senderantenne).
Et kjennetegn på et flyktig felt er at det ikke er noen netto energistrøm i den regionen. Siden nettostrømmen av elektromagnetisk energi er gitt av den gjennomsnittlige Poynting -vektoren , betyr dette at Poynting -vektoren i disse områdene, som gjennomsnittet over en fullstendig oscillasjonssyklus, er null.
Bruk av begrepet
I mange tilfeller kan man ikke bare si at et felt er eller ikke er flyktig. For eksempel, i illustrasjonen ovenfor, overføres energi faktisk i horisontal retning. Feltstyrken faller eksponensielt bort fra overflaten, og etterlater den konsentrert i et område veldig nær grensesnittet, og dette kalles derfor en overflatebølge . Imidlertid er det ingen forplantning av energi vekk fra (eller mot) overflaten (i z -retningen), slik at man riktig kan beskrive feltet som "evanescent i z -retningen". Dette er en illustrasjon av det unøyaktige begrepet. I de fleste tilfeller der de eksisterer, blir flyktige felt ganske enkelt tenkt på og referert til som elektriske eller magnetiske felt, uten at den flyktige egenskapen (null gjennomsnittlig Poynting -vektor i en eller alle retninger) noen gang er påpekt. Begrepet brukes spesielt for å differensiere et felt eller en løsning fra tilfeller der man normalt forventer en forplantningsbølge.
Daglige elektroniske enheter og elektriske apparater er omgitt av store felt som har denne egenskapen. Driften deres innebærer vekslende spenninger (produserer et elektrisk felt mellom dem) og vekselstrømmer (produserer et magnetfelt rundt dem). Begrepet "evanescent" blir aldri hørt i denne vanlige sammenhengen. Det kan heller være bekymring for utilsiktet produksjon av en forplantende elektromagnetisk bølge og dermed diskusjon om å redusere strålingstap (siden forplantningsbølgen stjeler kraft fra kretsene) eller interferens. På den annen side brukes "evanescent field" i forskjellige sammenhenger der det er en forplantende (selv om den er begrenset) elektromagnetisk bølge involvert, for å beskrive medfølgende elektromagnetiske komponenter som ikke har den egenskapen. Eller i noen tilfeller der det normalt ville være en elektromagnetisk bølge (for eksempel lys som brytes i grensesnittet mellom glass og luft) påkalles begrepet for å beskrive feltet når bølgen undertrykkes (for eksempel med lys i glass som inntreffer på et luftgrensesnitt utover den kritiske vinkelen ).
Selv om alle elektromagnetiske felt er klassisk styrt i henhold til Maxwells ligninger , har forskjellige teknologier eller problemer visse typer forventede løsninger, og når de primære løsningene innebærer bølgeforplantning, brukes begrepet "evanescent" ofte på feltkomponenter eller løsninger som ikke deler denne egenskapen . For eksempel er forplantningskonstanten av en hul metallbølgeleder er en sterk funksjon av frekvens (en såkalt dispersjon forhold ). Under en viss frekvens ( cut-off-frekvensen ) blir forplantningskonstanten et imaginært tall. En løsning på bølgelikningen som har et imaginært bølgetall, forplanter seg ikke som en bølge, men faller av eksponentielt, så feltet som er opphisset ved den lavere frekvensen anses å være flyktig. Det kan også ganske enkelt sies at forplantning er "tillatt" for den frekvensen. Den formelle løsningen på bølgelikningen kan beskrive moduser som har en identisk form, men endringen av forplantningskonstanten fra reell til imaginær ettersom frekvensen faller under cut-off-frekvensen endrer totalt den fysiske naturen til resultatet. Løsningen kan beskrives som en "cut-off mode" eller en "evanescent mode"; mens en annen forfatter bare vil oppgi at ingen slik modus eksisterer. Siden det flyktige feltet som tilsvarer modusen ble beregnet som en løsning på bølgelegningen, blir det ofte diskutert som en "flyktig bølge", selv om dens egenskaper (for eksempel ikke å bære energi) er i strid med definisjonen av bølge .
Selv om denne artikkelen konsentrerer seg om elektromagnetikk, brukes begrepet evanescent på lignende måte i felt som akustikk og kvantemekanikk der bølgelikningen stammer fra den involverte fysikken. I disse tilfellene kalles løsninger på bølgelikningen som resulterer i imaginære forplantningskonstanter på samme måte som "evanescent" og har den vesentlige egenskapen at ingen nettoenergi overføres selv om det er et felt som ikke er null.
Evanescent wave -applikasjoner
I optikk og akustikk dannes flyktige bølger når bølger som beveger seg i et medium gjennomgår total intern refleksjon ved grensen fordi de treffer den i en vinkel større enn den såkalte kritiske vinkelen . Den fysiske forklaringen på eksistensen av den flyktige bølgen er at de elektriske og magnetiske feltene (eller trykkgradientene , når det gjelder akustiske bølger) ikke kan være diskontinuerlige ved en grense, slik det ville være tilfelle hvis det ikke var noe flyktig bølgefelt. I kvantemekanikk er den fysiske forklaringen nøyaktig analog- Schrödinger-bølgefunksjonen som representerer partikkelbevegelse normal til grensen kan ikke være diskontinuerlig ved grensen.
Elektromagnetiske flyktige bølger har blitt brukt til å utøve optisk strålingstrykk på små partikler for å fange dem for eksperimentering, eller for å avkjøle dem til svært lave temperaturer, og for å belyse svært små objekter som biologiske celler eller enkeltprotein og DNA -molekyler for mikroskopi (som i det totale interne refleksjonsfluorescensmikroskopet ). Evanescent -bølgen fra en optisk fiber kan brukes i en gassensor, og evanescent -bølger figurerer i den infrarøde spektroskopiteknikken kjent som svekket total refleksjon .
I elektroteknikken , er flyktige bølger funnet i nærfeltet region innenfor en tredjedel av en bølgelengde av radioantennen. Under normal drift sender en antenne elektromagnetiske felt inn i det nærliggende nærområdet, og en del av feltenergien reabsorberes, mens resten utstråles som EM -bølger.
Nylig har et grafenbasert Bragg-gitter (endimensjonal fotonisk krystall ) blitt fremstilt og demonstrert sin kompetanse for eksitasjon av overflateelektromagnetiske bølger i den periodiske strukturen ved bruk av en prisme-koblingsteknikk .
I kvantemekanikk gir de evanescent-wave-løsningene i Schrödinger-ligningen fenomenet bølgemekanisk tunneling .
I mikroskopi kan systemer som fanger informasjonen i flyktige bølger brukes til å lage bilder med superoppløsning . Materiale utstråler både forplantende og flyktige elektromagnetiske bølger. Konvensjonelle optiske systemer fanger bare informasjonen i de forplantende bølgene og er derfor underlagt diffraksjonsgrensen . Systemer som fanger informasjonen i flyktige bølger, for eksempel superlensene og optisk mikroskopi ved nærfeltskanning , kan overvinne diffraksjonsgrensen; Imidlertid er disse systemene da begrenset av systemets evne til å fange de flyktige bølgene nøyaktig. Begrensningen på deres oppløsning er gitt av
hvor er den maksimale bølgevektor som kan løses, er avstanden mellom objektet og sensoren, og er et mål på kvaliteten av sensoren.
Mer generelt kan praktiske anvendelser av flyktige bølger klassifiseres som (1) de der energien assosiert med bølgen brukes til å stimulere et annet fenomen i romområdet der den opprinnelige bevegelige bølgen blir flyktig (for eksempel som i totalt internt refleksjonsfluorescensmikroskop ) eller (2) de der den flyktige bølgen kobler to medier der bevegelige bølger er tillatt, og dermed tillater overføring av energi eller en partikkel mellom mediet (avhengig av bølgelikningen i bruk), til og med selv om det ikke er tillatt med reisebølgeløsninger i området mellom de to mediene. Et eksempel på dette er såkalt bølgemekanisk tunneling , og er generelt kjent som evanescent wave coupling .
Total intern refleksjon av lys
Tenk for eksempel på total intern refleksjon i to dimensjoner, med grensesnittet mellom mediet liggende på x -aksen, det normale langs y og polarisasjonen langs z. Man kan forvente at for vinkler som fører til total intern refleksjon, vil løsningen bestå av en hendelsesbølge og en reflektert bølge, uten overført bølge i det hele tatt, men det er ingen slik løsning som adlyder Maxwells ligninger . Maxwells ligninger i et dielektrisk medium pålegger en grensekontinuitet for kontinuitet for komponentene i feltene E || , H || , D y og B y . For polarisasjonen som er vurdert i dette eksemplet, betingelsene på E || og B y er fornøyd hvis den reflekterte bølgen har samme amplitude som den hendende, fordi disse komponentene i hendelsen og reflekterte bølger overlapper destruktivt. Deres H x- komponenter overlapper imidlertid konstruktivt, så det kan ikke være noen løsning uten en ikke-forsvinnende overført bølge. Den overførte bølgen kan imidlertid ikke være en sinusformet bølge, siden den da ville transportere energi vekk fra grensen, men siden hendelsen og reflekterte bølger har lik energi, ville dette krenke bevaring av energi . Vi konkluderer derfor med at den overførte bølgen må være en ikke-forsvinnende løsning på Maxwells ligninger som ikke er en bølge i bevegelse, og de eneste slike løsningene i et dielektrikum er de som forfaller eksponensielt: flyktige bølger.
Matematisk kan flyktige bølger karakteriseres av en bølgevektor hvor en eller flere av vektorkomponentene har en tenkt verdi. Fordi vektoren har imaginære komponenter, kan den ha en størrelse som er mindre enn dens virkelige komponenter.
For forekomstplanet som planet ved og grensesnittet mellom de to mediumene som planet ved , har bølgevektoren til den overførte bølgen formen
med og , hvor er størrelsen på bølgevektoren til den overførte bølgen (så bølgetallet ), er brytningsvinkelen. og og er enhetsvektorene henholdsvis i akseretningen og akseretningen.
Ved å bruke Snell -loven hvor , og er brytningsindeksen til mediet der hendelsesbølgen og den reflekterte bølgen eksisterer, brytningsindeksen til mediet der den overførte bølgen eksisterer, og forekomstvinkelen,
- .
med .
Hvis en del av tilstanden til den totale interne refleksjonen som er tilfredsstilt, da
- .
Hvis polarisasjonen er vinkelrett på forekomstplanet (langs retningen), kan det elektriske feltet til en av bølgene (innfallende, reflektert eller overført) uttrykkes som
hvor er enhetsvektoren i akseretningen.
Ved å anta plane bølger som , og erstatte den overførte bølgevektoren til , finner vi for den overførte bølgen:
hvor er dempningskonstanten , og er fasekonstanten . ignoreres siden det ikke er fornuftig fysisk (bølgeforsterkningen langs y -retningen i dette tilfellet).
Evanescent-wave-kobling
Spesielt i optikk , evanescent-bølgekopling refererer til koblingen mellom to bølger på grunn av fysisk overlapping av hva som ellers ville bli beskrevet som de flyktige feltene som svarer til de bølger som forplanter seg.
Et klassisk eksempel er FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) der det flyktige feltet veldig nær (se graf) overflaten til et tett medium der en bølge normalt gjennomgår total intern refleksjon overlapper et annet tett medium i nærheten. Dette forstyrrer refleksjonens totalitet og leder litt kraft til det andre mediet.
Kobling mellom to optiske bølgeledere kan utføres ved å plassere fiberkjernene tett inntil hverandre slik at det flyktige feltet generert av ett element stimulerer en bølge i den andre fiberen. Dette brukes til å produsere fiberoptiske splitter og i fiberavlytting . Ved radiofrekvenser (og til og med optiske) kalles en slik enhet en retningskobling. Enheten kalles vanligvis en strømdeler når det gjelder mikrobølgeoverføring og modulering. Evanescent-bølge kopling er synonymt med nærfeltet interaksjon i elektromagnetisk feltteori. Avhengig av kildeelementets natur, er det involverte flyktige feltet enten hovedsakelig elektrisk (kapasitiv) eller magnetisk (induktiv), i motsetning til (forplantende) bølger i det fjerne feltet der disse komponentene er koblet (identisk fase, i forholdet mellom impedansen ledig plass ). Evanescent wave coupling finner sted i det ikke-strålende feltet nær hvert medium og er som sådan alltid forbundet med materie; dvs. med de induserte strømmer og ladninger i en delvis reflekterende overflate. I kvantemekanikk kan bølgefunksjonsinteraksjonen diskuteres når det gjelder partikler og beskrives som kvantetunnel .
applikasjoner
Evanescent wave -kobling brukes ofte i fotoniske og nanofotoniske enheter som bølgeleder -sensorer eller koplere (se f.eks. Prisme -kobler ).
Evanescent wave -kobling brukes til å eksitere for eksempel dielektriske mikrosfære -resonatorer.
Evanescent -kobling, som nær feltinteraksjon, er en av bekymringene ved elektromagnetisk kompatibilitet .
Kobling av optiske fibre uten tap for fiberavlytting .
Evanescent wave coupling spiller en stor rolle i den teoretiske forklaringen på ekstraordinær optisk overføring .
Evanescent wave -kobling brukes til å drive enheter trådløst.
Et totalt internt refleksjonsfluorescensmikroskop bruker den flyktige bølgen som produseres av total intern refleksjon for å eksitere fluoroforer nær en overflate. Dette er nyttig når overflateegenskapene til biologiske prøver må studeres.