红外区表面电磁波(IRSEW)技术

    1  引言

    作为凝聚态物体表面光学性质的重要内容之一一一表面电磁波(SEW)的特性在70年代就已进行了研究[1、2]，首先研究了理想光滑表面的情形，随后又考虑了轻度粗糙表面所产生的影响〔3,4)。理论证明，SEW沿表面在传播方向上指数式衰减，在表面的两侧，电磁场也呈现指数式衰减，因而可按通常方式分别定义传播长度和透人深度。在红外区，传播长度远比可见区的长，从而使实验探测成为可能。若干实验技术已成功地用于在光滑金属表面产生SEW，并对传播长度进行了测量〔5,6)，这种测量可望实用于金属表面形貌的测量或表面粗糙度的检测。前者可用来代替传统的探针技术，后者则可用于精确度量各种表面处理技术处理后的剩余粗糙情况。将测量的结果与现有的理论相对照，可促进对理论模型的修正，从而对SEW的特性有币深入的了解。

    2  SEW的基本理论

    SEW的基本理论可在文献【3,  4]中找到，限于篇幅，在此只作简单叙述。考虑如下情形:选xy平面与所考虑的材料表面重合，z<0的区域为真空，z>0的区域充满各向同性的非磁性准自由电子。设金属内外的场均为单色平面波，忽略金属内电场的非旋部分。选取x轴方向使得沿v轴无波的传播，并设在:=0处传导电子密度由0突变为金属内的体平均值。按上述假设，可得出满足麦克斯韦方程及相应的电磁边界条件的解所必须符合的色散关系:

式中k为波矢，ω为频率，ε(ω)为与频率有关的复介电常数，co为真空中光速。(1)式只在电场偏振方向平行于xz平面时成立。但应说明的是，平面波解不是唯一解，例如，距光滑金属表面很近处的简谐偶极子可产生非球面波(’的，此时电场偏振方向不受上述限制。对于本文涉及的问题，平面波解已是很好的近似。

ωp为金属中等离子体频率，N为单位体积的电子数，m为导带电子的“光学质量”。若将实验得出的ε(ω)数据代人(1)式可得出色散关系曲线。图1为由金属铝的实验数据而得出的曲线[8l，用其他金属的实验数据代人可得出与之类似的曲线组。

    沿光滑表面传播的SEW其强度沿表面传播方向指数式衰减。定义其强度衰减为原来的1/e时所传过的距离为传播长度L。它可由代人ε(ω)至((1)式中并提出波矢k_‖的虚部而得出:

    L一1/[ 2Im(k_‖ )]          (4)

式中Im(k_‖ )为k _‖ 的虚部。电磁场能量从界面向两侧也以指数形式衰减，因而可以用类似的方式定义“透人深度”。SEW的这一特点使它在材料表面性质的研究中更加引人注目。