光，我們視覺感知的根本，通常以可預(yù)測的方式行動。然而，在這些熟悉的現(xiàn)象之下，隱藏著光更微妙和有趣的方面，尤其是在特定條件下遇到界面時。雖然全內(nèi)反射表現(xiàn)為完全且完美的反射，但仔細(xì)觀察，并以光的波動性為指導(dǎo)，會揭示一種延伸到看似禁止的介質(zhì)中的非傳播場——倏逝波。理解這些相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象不僅對于理解光學(xué)的基本原理至關(guān)重要，而且對于欣賞它們對廣泛技術(shù)的深遠(yuǎn)影響也至關(guān)重要。

當(dāng)光從較密介質(zhì)傳播到較疏介質(zhì)時，以大于臨界角的入射角撞擊界面時，就會發(fā)生全內(nèi)反射。這個臨界角由兩種介質(zhì)的折射率決定，低于這個角度，光將部分反射并部分折射。然而，一旦超過臨界角，折射光線理論上必須沿界面?zhèn)鞑ィ瑢?yīng)于 90 度的折射角。由于這在物理上是不可能的，因此所有入射光都會反射回較密介質(zhì)中。這種光完全被限制在較密介質(zhì)中的現(xiàn)象就是我們所知的全內(nèi)反射。它是光纖工作的原理，在光纖中，由于在纖芯-包層界面處重復(fù)發(fā)生全內(nèi)反射，光信號可以長距離傳輸，損耗極小。

然而，經(jīng)典射線光學(xué)對全內(nèi)反射的描述，即光像臺球一樣簡單地彈回，是一種過于簡化的說法。要真正理解界面上發(fā)生的事情，我們必須深入研究光的波動性，這由麥克斯韋方程組描述。根據(jù)波動光學(xué)，即使發(fā)生全內(nèi)反射，與光波相關(guān)的電磁場也不會在界面處突然停止。相反，該場的一部分會以一種稱為倏逝波的非傳播波的形式滲透到較疏介質(zhì)中。

倏逝波是一種引人入勝的實(shí)體，具有獨(dú)特的性質(zhì)，使其區(qū)別于傳播電磁波。首先，它是非輻射的，這意味著它不會將能量從界面帶走。其振幅隨著與界面距離的增加而在較疏介質(zhì)中呈指數(shù)衰減。這種快速衰減意味著倏逝波的強(qiáng)度在非常短的距離內(nèi)（通常在入射光波長的幾個數(shù)量級內(nèi)）變得可以忽略不計。其次，雖然其振幅減小，但倏逝波仍然以與入射光相同的頻率振蕩。它具有相互耦合且異相振蕩的電場和磁場分量。至關(guān)重要的是，倏逝波的波矢具有平行于界面的分量，這導(dǎo)致其沿表面的振蕩性質(zhì)，但其垂直于界面的分量是虛數(shù)，導(dǎo)致振幅呈指數(shù)衰減。

乍一看，倏逝波的存在似乎違反直覺，特別是考慮到所有入射能量都反射回較密介質(zhì)中。然而，它是電磁場在兩種介質(zhì)界面處必須滿足的邊界條件的直接結(jié)果。這些邊界條件要求電場和磁場的某些分量在界面上是連續(xù)的。為了在全內(nèi)反射期間滿足這些條件，即使它不將任何凈能量從界面帶走，也必須在較疏介質(zhì)中存在一個非傳播場。它可以被認(rèn)為是阻止自由傳播的“受挫”波。

盡管倏逝波具有轉(zhuǎn)瞬即逝的性質(zhì)，但它已被證明是各種科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用中非常有價值的工具。最重要的應(yīng)用之一是在近場掃描光學(xué)顯微鏡（NSOM）中。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率受到光的衍射極限的限制，這使得我們無法分辨小于光波長一半左右的特征。NSOM 通過利用倏逝波克服了這一限制。一個尖銳的、亞波長尺寸的孔徑被放置在非常靠近樣品表面的位置。在界面處發(fā)生全內(nèi)反射期間產(chǎn)生的倏逝波與近場區(qū)域內(nèi)的樣品相互作用。通過掃描孔徑穿過表面并檢測倏逝場的變化，可以獲得分辨率遠(yuǎn)超衍射極限的圖像，從而使我們能夠可視化納米結(jié)構(gòu)甚至單個分子。

倏逝波的另一個重要應(yīng)用是在光波導(dǎo)和集成光學(xué)中。在光波導(dǎo)中，例如電信中使用的光波導(dǎo)，由于在與周圍包層材料的界面處發(fā)生全內(nèi)反射，光被限制在纖芯材料內(nèi)。倏逝波稍微延伸到包層中。這種現(xiàn)象可以用來耦合兩個緊密間隔的波導(dǎo)之間的光。如果兩個波導(dǎo)靠得足夠近，則一個波導(dǎo)的倏逝波可以與另一個波導(dǎo)的倏逝波重疊，從而允許能量從一個波導(dǎo)隧穿到另一個波導(dǎo)。該原理用于制造集成光子電路中的光開關(guān)、耦合器和其他基本組件。

總之，雖然全內(nèi)反射看起來像一面完美的鏡子，但光的波動性揭示了更細(xì)致的圖景。倏逝波，一種在全內(nèi)反射期間存在于界面之外的非傳播場，不僅僅是一種理論上的好奇，而是該現(xiàn)象的基本方面。其獨(dú)特的性質(zhì)已被用于開發(fā)各種強(qiáng)大的技術(shù)，這些技術(shù)徹底改變了從顯微鏡到電信等領(lǐng)域。反射之外的低語，由倏逝波體現(xiàn)，證明了光復(fù)雜且常常令人驚訝的行為，不斷推動我們理解的界限，并實(shí)現(xiàn)不斷塑造我們世界的創(chuàng)新應(yīng)用。