专利名称：利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法
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I)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
< -M -n\2，其中，A Cj5为倏逝波的相位变化，L为在待测介质中测量点到 L a
“光密介质-待测介质”界面的距离，C为真空中的光速，CO为入射电磁波的圆频率，叫和n' 2分别为光密介质和待测介质的折射率实部，0为电磁波的入射角度。优选地,所述电磁波的入射角度0满足全反射条件Q > arcsin(n/ ^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(I)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。
图I为本发明的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法的操作流程示意图。图2为本发明的利用电磁倏逝波的相位变化方法测量介质损耗的实验模型示意图。图3a_3c为本发明的利用电磁倏逝波的相位变化方法测量两种典型气体(色散介质)的弱损耗的示意图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法至少包括以下步骤首先，在预先给定的电磁波频率下确定待测介质折射率的实部n' 2，并把该待测介质定义为光疏介质。我们需要测量的是该待测介质的折射率虚部n" 2。若待测介质是色散介质，那么n' 2和11" 2是跟电磁波的频率有关的。通常，预先设定的电磁波频率范围可以是可见光、红外光或微波等。接着，寻找一个光密介质(该介质的折射率实部Ii1为已知，并大于待测介质的折射率实部n' 2)，并把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。如图2所示。然后，用预先设定的调节光密介质中电磁波的入射角度0，使之在光密介质和待测介质的边界处发生全反射，从而在待测介质内部产生倏逝波。发生全反射时，在待测介质内部，倏逝波的垂直于界面方向的波矢为
^ =/V(wi sin ef - n\2子+ I == = 2 7;其中，CO为入射电磁波的圆频率，C为
6sm 6) - n 2 6
真空中的光速。那么，在待测介质中距离界面L处，倏逝波将会有相位变化A ￠,它满足= Re(^)Z= <L 2- (I) yj{nx sin 9) - ri2 c随后，在待测介质中距离界面L处，通过采用包括但不限于相位差测量仪、网络分析仪、干涉仪等仪器测量，我们可以获得倏逝波的相位变化△ 0。由(I)式，我们可以求得
n" 2，它满足V = ^Isin吖- '22。其中，Acj5为倏逝波的相位变化，L为在待测介 L a
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，CO为入射电磁波的圆频率，叫和!!' 2分别为光密介质和待测介质的折射率实部，0为电磁波的入射角度。采用相位差测量仪、网络分析仪、干涉仪等仪器测量倏逝波的相位变化A Cj5为本领域公知常识，在此不再赘述。这样，我们就通过测量倏逝波相位的变化，计算获得了某个频率下待测介质的折射率虚部的值。最后，改变入射电磁波的频率，重复上述操作步骤，可以求得不同频率下，待测介质折射率虚部的值。作为例子，两种气体介质折射率虚部和频率的关系如图3所示，其中，图3(a)为待测介质折射率实部随频率变化的关系，图3(b)为倏逝波相位变化随频率变化的关系，图3(c)为待测介质的折射率虚部跟频率的关系。综上所述，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。可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于包括步骤 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。
2.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于所述步骤4)计算待测介质折射率虚部n2"的表达式为 2"=^->i ^ef-n\2，其 L a中，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，w为入射电磁波的圆频率，Ii1和n' 2分别为光密介质和待测介质的折射率实部，9为电磁波的入射角度。
3.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于所述电磁波的入射角度0满足全反射条件Q > arcsinfc' ^n1)。
4.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于所述待测介质为无色散介质或色散介质。
5.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于所述待测介质具有弱损耗的介质。
6.如权利要求5所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于所述具有弱损耗的介质包括为气体、液体或胶体中的一种。
7.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在于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。
8.如权利要求I所述的利用电磁倏逝波的相位变化测量介质损耗的方法，其特征在 >于所述步骤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。
全文摘要
本发明提供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构成全反射系统；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。该测量方法不仅能无损反复进行，还可实现超高精度的测量。
文档编号G01R27/26GK102798764SQ201110139419
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者蒋寻涯, 李伟 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所