反射的假象：揭秘全内反射与倏逝波

光，我们视觉感知的根本，通常以可预测的方式行动。然而，在这些熟悉的现象之下，隐藏着光更微妙和有趣的方面，尤其是在特定条件下遇到界面时。虽然全内反射表现为完全且完美的反射，但仔细观察，并以光的波动性为指导，会揭示一种延伸到看似禁止的介质中的非传播场——倏逝波。理解这些相互关联的现象不仅对于理解光学的基本原理至关重要，而且对于欣赏它们对广泛技术的深远影响也至关重要。

当光从较密介质传播到较疏介质时，以大于临界角的入射角撞击界面时，就会发生全内反射。这个临界角由两种介质的折射率决定，低于这个角度，光将部分反射并部分折射。然而，一旦超过临界角，折射光线理论上必须沿界面传播，对应于 90 度的折射角。由于这在物理上是不可能的，因此所有入射光都会反射回较密介质中。这种光完全被限制在较密介质中的现象就是我们所知的全内反射。它是光纤工作的原理，在光纤中，由于在纤芯-包层界面处重复发生全内反射，光信号可以长距离传输，损耗极小。

然而，经典射线光学对全内反射的描述，即光像台球一样简单地弹回，是一种过于简化的说法。要真正理解界面上发生的事情，我们必须深入研究光的波动性，这由麦克斯韦方程组描述。根据波动光学，即使发生全内反射，与光波相关的电磁场也不会在界面处突然停止。相反，该场的一部分会以一种称为倏逝波的非传播波的形式渗透到较疏介质中。

倏逝波是一种引人入胜的实体，具有独特的性质，使其区别于传播电磁波。首先，它是非辐射的，这意味着它不会将能量从界面带走。其振幅随着与界面距离的增加而在较疏介质中呈指数衰减。这种快速衰减意味着倏逝波的强度在非常短的距离内（通常在入射光波长的几个数量级内）变得可以忽略不计。其次，虽然其振幅减小，但倏逝波仍然以与入射光相同的频率振荡。它具有相互耦合且异相振荡的电场和磁场分量。至关重要的是，倏逝波的波矢具有平行于界面的分量，这导致其沿表面的振荡性质，但其垂直于界面的分量是虚数，导致振幅呈指数衰减。

乍一看，倏逝波的存在似乎违反直觉，特别是考虑到所有入射能量都反射回较密介质中。然而，它是电磁场在两种介质界面处必须满足的边界条件的直接结果。这些边界条件要求电场和磁场的某些分量在界面上是连续的。为了在全内反射期间满足这些条件，即使它不将任何净能量从界面带走，也必须在较疏介质中存在一个非传播场。它可以被认为是阻止自由传播的“受挫”波。

尽管倏逝波具有转瞬即逝的性质，但它已被证明是各种科学和技术应用中非常有价值的工具。最重要的应用之一是在近场扫描光学显微镜（NSOM）中。传统光学显微镜的分辨率受到光的衍射极限的限制，这使得我们无法分辨小于光波长一半左右的特征。NSOM 通过利用倏逝波克服了这一限制。一个尖锐的、亚波长尺寸的孔径被放置在非常靠近样品表面的位置。在界面处发生全内反射期间产生的倏逝波与近场区域内的样品相互作用。通过扫描孔径穿过表面并检测倏逝场的变化，可以获得分辨率远超衍射极限的图像，从而使我们能够可视化纳米结构甚至单个分子。

倏逝波的另一个重要应用是在光波导和集成光学中。在光波导中，例如电信中使用的光波导，由于在与周围包层材料的界面处发生全内反射，光被限制在纤芯材料内。倏逝波稍微延伸到包层中。这种现象可以用来耦合两个紧密间隔的波导之间的光。如果两个波导靠得足够近，则一个波导的倏逝波可以与另一个波导的倏逝波重叠，从而允许能量从一个波导隧穿到另一个波导。该原理用于制造集成光子电路中的光开关、耦合器和其他基本组件。

总之，虽然全内反射看起来像一面完美的镜子，但光的波动性揭示了更细致的图景。倏逝波，一种在全内反射期间存在于界面之外的非传播场，不仅仅是一种理论上的好奇，而是该现象的基本方面。其独特的性质已被用于开发各种强大的技术，这些技术彻底改变了从显微镜到电信等领域。反射之外的低语，由倏逝波体现，证明了光复杂且常常令人惊讶的行为，不断推动我们理解的界限，并实现不断塑造我们世界的创新应用。