【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的大小與光波在介質(zhì)1中的波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)。3) 等相面和等幅面：消失波的等相面為x等于常數(shù)的平面，消失波的等幅面為z等于常數(shù)的平面，而且等相面上沿z方向各點(diǎn)的振幅不相等，因此消失波是一種非均勻的平面波。另外，由菲涅耳公式可以證明，消失波電矢量在傳播方向的分量E2x不為0，說明消失波不是一種橫波。在光學(xué)界，人們利用消失波(場(chǎng))的特點(diǎn)發(fā)展了多種應(yīng)用。例如，利用消失場(chǎng)以記錄采集及轉(zhuǎn)換光學(xué)圖像，把全息攝影攝在極薄的區(qū)域內(nèi)。又如，根據(jù)消失波的與界面平行傳播的性質(zhì)，把光能量耦合到另一材料上以形成電磁表面波等等[12]。 古斯?jié)h欣位移光束在電介質(zhì)分界面上發(fā)生全發(fā)射時(shí)，反射光束在入射面內(nèi)相對(duì)于幾何光束沿著界面方向會(huì)產(chǎn)生一段位移，這個(gè)位移就是古斯?jié)h欣位移。是在1947年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，它的存在實(shí)施，說明全反射時(shí)介質(zhì)2中光波的平均能流密度情況。它與倏逝波的穿透深度有關(guān)。在此，我們通過上節(jié)倏逝波引出古斯?jié)h欣位移，在第四章將結(jié)合電介質(zhì)膜作詳細(xì)的介紹。sθ1z12n2n1 GH位移示意圖雖然這個(gè)效應(yīng)在1947年就在實(shí)驗(yàn)上觀察到，但對(duì)它的解釋始終存在爭(zhēng)議。與此有關(guān)的理論模型有穩(wěn)態(tài)相位模型、能量傳播模型、光線模型和形變光束模型。這種狀態(tài)促使人們?cè)诟嗟念I(lǐng)域內(nèi)研究這個(gè)現(xiàn)象，其中包括聲學(xué)、等離子體物理、量子力學(xué)、表面物理和化學(xué)。近年來GH位移與所謂的超光速現(xiàn)象聯(lián)系在一起，從而又得到了人們進(jìn)一步的關(guān)注。此外，GH位移在光學(xué)器件中得到了一定的應(yīng)用[12]。3 光電位敏感探測(cè)器 光電位敏感探測(cè)器（PSD） PSD ( Position Sensitive Detectors) 器件是自本世紀(jì)70年代研制成功的一種新型位置傳感器，廣泛應(yīng)用光電位置測(cè)量、光學(xué)遙控、位移和振動(dòng)的檢測(cè)和監(jiān)控、方向探測(cè)、光學(xué)邊界判別、醫(yī)用器械以及機(jī)器人視覺等方面[13]。 PSD的特點(diǎn)和工作原理與其它探測(cè)器比較，其特點(diǎn)是：1） 它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)與光的聚焦無關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測(cè)量帶來了很多方便；2） 光敏面上無需分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率高，；3） 可同時(shí)檢測(cè)位置，PSD器件輸出總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)，而各信號(hào)電極輸出光電流之和等于總光電流，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。PSD器件可分為線性(一維) PSD和面型(二維) PSD，前者可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，后者可以測(cè)定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。實(shí)用的PSD器件為PIN 三層結(jié)構(gòu)。PSD器件表面P層為感光面，兩邊各有一信號(hào)輸出電極。若在兩個(gè)信號(hào)電極上接上負(fù)載電阻，光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，從而在信號(hào)電極上分別得到光電流I1和I2。顯然，I1 和I2 之和等于總的光生電流I0，而I1和I2的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻R1和R2。 一維PSD 截面原理圖假設(shè)負(fù)載電阻RL的阻值相對(duì)于R1和R2可以忽略，則： （）式中，L 為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極間的距離，x為入射光點(diǎn)距PSD 中點(diǎn)的距離。式()表明，兩個(gè)信號(hào)電極的輸出光電流之比為入射光點(diǎn)到該電極間距離之比的倒數(shù)。將I0 = I1 + I2 代入式（），可以得到： （） 從上面兩式可以看出，當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x 成線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流檢出后作如下處理： （）Px 稱為一維PSD位置輸出信號(hào)，它與光點(diǎn)在光敏面上位置坐標(biāo)x成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，這就是PSD的位置檢測(cè)特性。此時(shí)，PSD就成為僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。 PSD在位移測(cè)試中的應(yīng)用 所示，由半導(dǎo)體激光器(LD)發(fā)射出的光束經(jīng)過透鏡1聚焦，光斑照射到待測(cè)物體上，部分反射光通過透鏡2會(huì)聚到PSD的光敏面上。當(dāng)激光光斑投射到被測(cè)物的某一位置時(shí)，會(huì)聚到PSD的光斑恰好位于光敏面的中央位置。此時(shí)，PSD兩電極輸出電流相同。由式（）可知光敏面上位置坐標(biāo)x = 0，以該位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)。圖中B點(diǎn)表示待測(cè)物的基準(zhǔn)點(diǎn)，則其散射光斑會(huì)聚到PSD光敏面中央b處，而待測(cè)點(diǎn)A和C的散射光斑分別會(huì)聚到PSD光敏面a，c兩處，分別測(cè)得兩電極的電流信號(hào)，再經(jīng)過后續(xù)處理電路就可以精確測(cè)試出A，C兩點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)B之間的位移。 位移測(cè)試原理圖根據(jù)上述基本原理，除了可以直接應(yīng)用于位移測(cè)試以外，還廣泛應(yīng)用于物體厚度、物體振動(dòng)規(guī)律、液位、段差等方面，具有極好的應(yīng)用前景。 位置敏感探測(cè)器（PSD）的研究進(jìn)展 位置敏感傳感器(position sensitive detector，PSD)的工作機(jī)理是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。早在1930年，Schottky將Cu—CuO金屬半導(dǎo)體結(jié)的CuO表面邊緣的Au電極通過安培表短接于Cu層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用一束光照射CuO表面時(shí)，外電流隨光入射位置與電極之間的距離的增加指數(shù)下降，這是橫向光電效應(yīng)的首次發(fā)現(xiàn)。之后，出現(xiàn)了四邊形結(jié)構(gòu)PSD，電極設(shè)計(jì)成條形，使用時(shí)加反偏電壓，各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到提高。但由于四條電極設(shè)置在同一面，電極間相互影響，非線性仍然較大(6％～8 )。為了提高線性度，后來開發(fā)了雙面結(jié)構(gòu)PSD。該結(jié)構(gòu)將收集X和Y方向位置信息的電極分別設(shè)在pn結(jié)的兩面，這樣避免了電極間的相互影響，線性度顯著提高，但這種結(jié)構(gòu)存在暗電流較大，不便于加反向偏壓的缺點(diǎn)。其后，Gear提出了Gear定律，隨后枕形結(jié)構(gòu)PSD問世，這種結(jié)構(gòu)雖有良好的線性度，但是有效使用面積較小[7~10,13]。近些年來，PSD的出現(xiàn)解決了很多科學(xué)研究的難題，作用越來越重要。4 電介質(zhì)膜增強(qiáng)古斯?jié)h欣位移 ，推導(dǎo)出了光線從媒質(zhì)界面折射的定律。但在Snell定律已提出300多年的1947年，人們發(fā)現(xiàn)了新的物理光學(xué)現(xiàn)象，即當(dāng)發(fā)生全反射時(shí)，入射光波會(huì)透進(jìn)光疏介質(zhì)約光波波長(zhǎng)量級(jí)的一個(gè)深度，并沿著界面方向流動(dòng)約半個(gè)波長(zhǎng)的距離再返回到光密介質(zhì)，但反射光的總能量沒有發(fā)生改變。，稱為GoosH228。nchen位移，簡(jiǎn)稱GH位移，位移量是波長(zhǎng)量級(jí)。這樣小的位移量妨礙了它的應(yīng)用，本章主要從理論方面研究電介質(zhì)薄膜增強(qiáng)古斯?jié)h欣位移的原理和方法[3]。 古斯?jié)h欣位移的基本概念的基本理論 古斯?jié)h欣位移的概念 人們?cè)谟懻撊瓷鋯栴}中曾假定兩種介質(zhì)的分界面即入射光波的橫截面均為無限大，而實(shí)際中所遇到的介質(zhì)分界面即入射光波的橫截面均為有限大小。古斯和漢欣于1947年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極窄的光束發(fā)生全反射時(shí)，反射光束在界面上相對(duì)于幾何光學(xué)預(yù)言的位置有一個(gè)很小的側(cè)向位移，稱為古斯?jié)h欣位移。它體現(xiàn)了實(shí)際物理光學(xué)現(xiàn)象和Snell定律之間的偏差。對(duì)于不同偏振狀態(tài)的窄束入射光波，GH位移是不相同的[12]。 古斯?jié)h欣位移的產(chǎn)生機(jī)理我們知道，具有有限橫向?qū)挾鹊钠矫婀獠?，可以看成是具有無限大橫向截面的平面光波受到一個(gè)具有有限大小孔徑的光屏限制的結(jié)果。對(duì)與沿xz平面?zhèn)鞑デ也ㄊ噶繛閗1的單色平面波，其在空間r(x,z)點(diǎn)處的復(fù)振幅分布ψ(k1,x,z)（即場(chǎng)的橫向分量——s或p分量）可以表示為： （）對(duì)于具有有限橫向?qū)挾鹊钠矫婀獠?，由于邊緣衍射效?yīng)，其在空間同一點(diǎn)的復(fù)振幅分布可以表示為具有不同波矢量k1(k1x, k1z)的平面波分量的線性疊加，即： （）式中積分因子ψ(k1x)表示波矢量為k1(k1x, k1z)的平面波分量所占權(quán)重。按照上述討論，當(dāng)時(shí)，ψ(k1,x,z)為均勻平面光波；而當(dāng)時(shí)，ψ(k1,x,z)為沿z方向振幅急劇衰減的非均勻平面光波，也就是前面討論的倏逝波。當(dāng)z增大時(shí)，倏逝波的振幅迅速減小，因此，隨著z值增大，消失波對(duì)積分式（）的貢獻(xiàn)越來越小。當(dāng)z=0時(shí)，式（）變?yōu)? （）顯然，ψ(k1x)是ψ(x,0)的傅立葉變換，即： （）把式（）代入式（）得到 （）這樣，若已知入射光波在平面z=0上的復(fù)振幅分布，就可以由上式求出其在任意平面上的復(fù)振幅分布。，現(xiàn)假設(shè)一有限橫向?qū)挾鹊钠矫婀獠ㄔ趜=0的平面上沿x方向的投影寬度為2a，入射角為θ1。 有限寬度平面光波的全發(fā)射示意圖θ1Oazaxn2n1那么當(dāng)時(shí)，則有 （）那么當(dāng)時(shí)，則有 （）代式（）和（）入式（）得： （）k1xψ(k1x) 有限寬度平面光波的空間頻譜分布示意圖可見，入射光波的頻譜ψ(k1x)是一個(gè)sinc函數(shù)，其主極大值位于，半寬度為1/a。當(dāng)a較大時(shí)，半寬度極窄，從而k1x只能取附近的值，把代入式（）有 （）現(xiàn)在考慮該光波在界面上反射，由式（），在z=d平面，入射平面波復(fù)振幅分布為 （）若取每個(gè)平面波成分的復(fù)振幅反射系數(shù)為r(k1x)，考慮到反射沿z方向，則對(duì)整個(gè)反射光場(chǎng)有： （） 一般情況下，入射光波可能包含各種方向（即具有不同入射角θ1）的平面波。對(duì)于入射角小于臨界角的平面波將發(fā)生部分反射、部分透射，而入射角大于臨界角的平面波將發(fā)生全反射。我們只考慮入射角大于臨界角且橫向?qū)挾染哂杏邢薮笮。ù笥诓ㄩL(zhǎng)）的入射光波。在此情況下，反射系數(shù)變?yōu)榧兿辔缓瘮?shù)[12]，而對(duì)積分式（）起主要貢獻(xiàn)的僅限于入射角在θ1附近的平面波成分，即ψ(k1x)對(duì)k1x限制的范圍很小，因此可對(duì)相位突變?cè)诟浇鹘频奶├照归_。取其展開式的一級(jí)近似，得： （）式中，δ0為時(shí)的相位突變，而 （）于是式（）變?yōu)? （）但是，按照幾何光學(xué)觀點(diǎn)，光波應(yīng)該自入射點(diǎn)反射，且其相位突變，即 （）比較式（）和（）后發(fā)現(xiàn)，反射光波在入射面內(nèi)沿著x方向有一縱向位移，即古斯?jié)h欣位移。 （） 古斯?jié)h欣位移與偏振態(tài)的關(guān)系 光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角等于臨界角，那么，透射光波的光矢量沿界面方向；如果入射角大于臨界角，由菲涅耳公式可知，此時(shí)反射光波的電矢量與入射光波的電矢量的振幅比可以表示為 （） （）上式中，是兩個(gè)介質(zhì)的相對(duì)折射率，δs、δp為全發(fā)射時(shí)反射光中的s分量、p分量光場(chǎng)相對(duì)于入射光的相位變化?？梢钥闯觯瓷鋾r(shí)反射系數(shù)變?yōu)榧兿辔缓瘮?shù)，其中相位因子δs、δp分別滿足 （） （）將式（）和（）入（），可以得到s分量、p分量的古斯?jié)h欣位移為 （） （）當(dāng)時(shí)，（）可簡(jiǎn)化為： （） 古斯?jié)h欣位移隨入射角變化示意圖 ，古斯?jié)h欣位移在趨近臨界角時(shí)最明顯，即在這時(shí)產(chǎn)生的位移最大，最有利于測(cè)量。從圖中我們還可得出結(jié)論：即兩種不同偏振態(tài)產(chǎn)生的位移大小不同，TM波產(chǎn)生的約是TE波產(chǎn)生的位移的兩倍。這是由于倏逝波穿透深度的影響。TM波在光學(xué)測(cè)量中作用明顯，掌握它對(duì)光學(xué)研究有很重要的意義[12]。 古斯?jié)h欣位移的特點(diǎn) 由此可見，古斯?jié)h欣位移的大小僅與兩種介質(zhì)的折射率及入射光波的方向有關(guān)，而與入射光波的橫向?qū)挾葻o關(guān)。也就是說，無論入射光波的橫向?qū)挾却笮∪绾?，古斯?jié)h欣位移始終存在。只是在通常情況下，古斯?jié)h欣位移數(shù)值很小，如此小的位移量只有用非常細(xì)的光束才能觀察到，對(duì)于橫截面具有宏觀尺寸的入射光束則很難檢測(cè)出來。 根據(jù)公式（）給出的消失波穿透深度的定義，公式（）和（）可以寫為 （） （）公式（）和（）表明，古斯?jié)h欣位移和消失波穿透深度有關(guān)，或者說兩者之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。實(shí)際上，如果我們假設(shè)發(fā)生全反射時(shí)，