[发明专利]利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，特别涉及利用电磁倏逝波的相位变化测量稀薄气体的弱损耗的方法。

背景技术

设某一介质的折射率为n＝n′+n″，其中n′和n″分别为介质折射率的实部和虚部，我们的目标是测量n′和n″。

我们已经知道，对传输波而言，n′和n″分别决定了传输波波矢的实部和虚部，所以当传输波在介质中传播一段距离后，n′和n″则分别决定了传输波的相位变化和振幅的变化。由于相位变化是比较明显且容易通过干涉仪等仪器进行精确测量，所以许多测量n′的方法都是利用传输波进行的。但是，当介质的吸收很微弱，即n″很微小时，传输波振幅的变化也将非常微小，所以利用传输波测量n″存在很大困难，甚至不可能精确测量。所以我们需要新的方法来测量n″。

跟传输波不同，倏逝波对n″是很敏感的。n′和n″对倏逝波的作用跟它们对传输波的作用是完全相反的。对倏逝波而言，n″决定了倏逝波波矢的实部，n′决定的是倏逝波波矢的虚部。所以，n′和n″则分别决定了倏逝波的振幅的变化和相位变化。由于相位变化更容易精确测量，所以我们可以用倏逝波的相位变化来测量介质损耗。

此处特别强调，我们提供的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法不同于以往的方法，比如文献(C.Carniglia and L.Mandel，J.Opt.Soc.Am.61，1035(1971).)中所述的方法。在以往的利用倏逝波进行探测的方法中，其系统至少有两个界面，而倏逝波正处于这两个界面之间。在这样的系统中，由于倏逝波的隧穿效应，其相位变化完全由界面决定，而未考虑介质的损耗。事实上，在这样的系统中，即使没有介质的损耗，倏逝波隧穿之后，仍然具有相位的变化。而在我们提供的方法中，待测介质和光密介质是“单界面”的。若待测介质是理想的没有损耗的介质，那么待测介质中的倏逝波是没有相位变化的；若待测介质有损耗，那么倏逝波将会有相变变化，而且其变化量跟待测介质折射率的虚部n″成正比。

发明内容

本发明涉及一种利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，用于实现无损反复地、超高精度的测量。

为了达到上述目的及其他目的，本发明采用如下技术方案：一种利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其包括步骤：

1)在预先给定频率的电磁波内确定待测介质折射率的实部，并把该待测介质定义为光疏介质；

2)寻找一个折射率已知并且折射率实部大于待测介质的折射率实部的光密介质，并把光密介质和待测介质的位置排列构成“光密介质-光疏介质”全反射系统；

3)用预先给定频率的电磁波从光密介质向待测介质入射，并调节入射角度，使电磁波在光密介质和待测介质的界面处发生全反射，并在待测介质内部产生倏逝波；

4)在待测介质中选择一个测量点，测量倏逝波相位的变化；并根据倏逝波相位的变化来计算待测介质折射率的虚部，即获得介质损耗。

优选地，所述步骤4)计算待测介质折射率虚部n₂″的表达式为：其中，Δφ为倏逝波的相位变化，L为在待测介质中测量点到“光密介质-待测介质”界面的距离，c为真空中的光速，ω为入射电磁波的圆频率，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部，θ为电磁波的入射角度。

优选地，所述电磁波的入射角度θ满足全反射条件：θ＞arcsin(n′₂/n₁)。

优选地，所述待测介质为无色散介质或色散介质。

优选地，所述待测介质具有弱损耗的介质。

优选地，所述具有弱损耗的介质包括为气体、液体或胶体中的一种。

优选地，所述预先给定频率范围的电磁波包括可见光、红外光及微波中的一种。

优选地，所述步骤4)采用包括但不限于相位差测量仪、网络分析仪、干涉仪测量倏逝波相位的变化。

本发明的利用电磁倏逝波测量介质损耗的方法，通过一个已知的光密介质和待测介质按特定的位置排列，构成“光密介质-光疏介质”全反射系统，并测量待测介质内部倏逝波的相位变化，实现介质损耗(折射率虚部)的测量。此调控方法的优点包括：(1)该测量方法可以方便的进行调整和反复的调整；(2)能对不同频率下色散介质的折射率虚部进行测量，而不必重新更改测量系统的实验结构；(3)由于倏逝波的相位对介质损耗很敏感，同时对电磁波相位的测量比较方便和精确，所以本发明的测量方法能具有高精确性。

附图说明