Электромагниттік энергия ағыны жоқ өріс түрі

Кіріспе

Электромагниттік энергияның таза ағыны нөлге тең болатын өріс түрі.

Электромагнетизмде, эванесцентті өріс немесе эванесцентті толқын – электромагниттік толқын ретінде таралмайтын, бірақ энергиясы көзінің жанында ғана шоғырланған, тербелісті электр және/немесе магниттік өріс. Тіпті, егер таралатын электромагниттік толқын туындаса да (мысалы, таратушы антенна арқылы), электр немесе магниттік өрістің көп толқын ұзындығы қашықтықта байқалатын таралатын толқынға жатқызылмайтын компонентін эванесцентті өріс деп анықтауға болады (мысалы, таратушы антеннаның алыс өрісі). Эванесцентті өрістің басты ерекшелігі – бұл аймақта энергияның таза ағыны болмайды. Электромагниттік энергияның таза ағыны орташа Пойнтинг векторы арқылы беріледі, демек, бұл аймақтардағы Пойнтинг векторы, толық тербеліс циклы бойынша орташа есептелгенде, нөлге тең болады.

Терминнің қолданылуы

Көптеген жағдайларда, Poynting векторының орташа мәні кейбір бағытта (немесе барлық бағытта) нөлге тең болса, өріс "эвансцентті" деп айтуға болмайды. Көптеген жағдайларда олар кездесетін жерде, эвансцентті өрістер басқа электрлік немесе магниттік өрістермен бірдей қарастырылады және аталады, олардың эвансценциясы ешқандай арнайы назарға алынбайды. Бұл терминнің қолданылуы көбінесе өрістің немесе шешімнің бір бөлігін ажыратумен шектеледі, әсіресе таралатын толқынның өрістерін күтуге болатын жағдайларда. Мысалы, мақаланың басындағы суретте энергия көлденең бағытта тасымалданады. Дегенмен, тік бағытта өріс күші беттен жоғары қашықтыққа қарай экспоненциалды түрде төмендейді. Бұл өрістің көп бөлігін интерфейске өте жақын, жұқа шекаралық қабатқа шоғырландырады; осы себепті ол беттік толқын деп аталады. Алайда, энергия көлденең бағытта ағып тұрса да, тік бойда энергия беттен (немесе бетке қарай) таралмайды, сондықтан өрісті "тік бағытта эвансцентті" деп дұрыс сипаттауға болады. Бұл терминнің жағдайға тәуелділігінің бір мысалы. Күнделікті электрондық құрылғылар мен электр аспаптары үлкен өрістермен қоршалған; олардың жұмысы ауыспалы кернеулерді (олардың арасында электр өрісін тудырады) және ауыспалы токтарды (олардың айналасында магнит өрісін тудырады) қамтиды, олар тек ішкі сымдар арқылы қуатты тасымалдауға, бірақ құрылғылардың сыртына емес, күтіледі. "Эвансцентті өріс" термині таралатын электромагниттік толқынның қатысуымен әртүрлі жағдайларда қолданылады (егер ол шектелген болса да). Бұл термин таралатын толқынмен бірге жүретін, бірақ өзі тарамайтын электромагниттік өріс компоненттерін ажыратады. Басқа ұқсас жағдайларда, әдетте таралатын электромагниттік толқын күтілетін жерде (мысалы, шыны мен ауа арасындағы интерфейсте жарық сындырылуы), бұл термин толқын басылған өрістің сол бөлігін сипаттау үшін қолданылады (мысалы, шыны арқылы өтетін, шыныдан ауаға интерфейске түсетін, бірақ сыншы бұрыштан асып түсетін жарық). Барлық электромагниттік өрістер классикалық түрде Максвелл теңдеулерімен басқарылатын болса да, әртүрлі технологиялар немесе проблемалар белгілі бір күтілетін шешімдерге ие, ал негізгі шешімдер толқын таралуын қамтитын жағдайларда, эвансцентті термині жиі осы қасиетті бөліспейтін өріс компоненттеріне немесе шешімдеріне қолданылады. Мысалы, қуыс металл толқын жетегінің таралу тұрақтысы жиіліктің күшті функциясы (дисперсиялық қатынас). Белгілі бір жиіліктен төмен (бұзылу жиілігі) таралу тұрақтысы жорамал санға айналады. Толқын теңдеуінің жорамал толқын саны бар шешімі толқын ретінде таралмайды, бірақ экспоненциалды түрде төмендейді, сондықтан төменгі жиілікте қозу тудырған өріс эвансцентті деп есептеледі. Сондай-ақ, осы жиілік үшін таралу "рұқсат етілмейді" деп қарапайым түрде айтуға болады. Толқын теңдеуінің формальды шешімі бірдей формалы режимдерді сипаттауға болады, бірақ таралу тұрақтысының нақтыдан жорамалға өзгеруі жиіліктің бұзылу жиілігінен төмен түсуімен физикалық сипатты толығымен өзгертеді. Шешім "бұзылған режим" немесе "эвансцентті режим" деп сипатталуы мүмкін; ал басқа автор мұндай режимнің жоқ екенін мәлімдейді. Режимге сәйкес келетін эвансцентті өріс толқын теңдеуінің шешімі ретінде есептелгендіктен, ол көбінесе "эвансцентті толқын" ретінде талқыланады, тіпті оның қасиеттері (мысалы, энергияны тасымалдамайды) толқынның анықтамасына сәйкес келмейді. Бұл мақалада электромагнетизмге назар аударылса да, эвансцентті термині акустика және кванттық механика сияқты салаларда да қолданылады. Бұл жағдайларда, толқын теңдеуінің жорамал таралу тұрақтыларына әкелетін шешімдері де "эвансцентті" деп аталады және нөлдік емес өріс болса да, таза энергия берілмейді деген маңызды қасиетке ие.

In many cases one cannot simply say that a field is or is not "evanescent" – having the Poynting vector average to zero in some direction (or all directions). In most cases where they exist, evanescent fields are simply thought of and referred to the same as all other electric or magnetic fields involved, without any special recognition of those fields' evanescence. The term's use is mostly limited to distinguishing a part of a field or solution in those cases where one might only expect the fields of a propagating wave. For instance, in the illustration at the top of the article, energy is indeed carried in the horizontal direction. However, in the vertical direction, the field strength drops off exponentially with increasing distance above the surface. This leaves most of the field concentrated in a thin boundary layer very close to the interface; for that reason, it is referred to as a surface wave. However, despite energy flowing horizontally, along the vertical there is no net propagation of energy away from (or toward) the surface, so that one could properly describe the field as being "evanescent in the vertical direction". This is one example of the context dependence of the term. Everyday electronic devices and electrical appliances are surrounded by large fields which are evanescent; their operation involves alternating voltages (producing an electric field between them) and alternating currents (producing a magnetic field around them) which are expected to only carry power along internal wires, but not to the outsides of the devices. Even though the term "evanescent" is not mentioned in this ordinary context, the appliances' designers still may be concerned with maintaining evanescence, in order to prevent or limit production of a propagating electromagnetic wave, which would lead to radiation loss, since a propagating wave "steals" its power from the circuitry or donates unwanted interference. The term "evanescent field" does arise in various contexts where a propagating electromagnetic wave is involved (even if confined). The term then differentiates electromagnetic field components that accompany the propagating wave, but which do not themselves propagate. In other, similar cases, where a propagating electromagnetic wave would normally be expected (such as light refracted at the interface between glass and air), the term is invoked to describe that part of the field where the wave is suppressed (such as light traveling through glass, impinging on a glass to air interface but beyond the critical angle). Although all electromagnetic fields are classically governed according to Maxwell's equations, different technologies or problems have certain types of expected solutions, and when the primary solutions involve wave propagation the term evanescent is frequently applied to field components or solutions which do not share that property. For instance, the propagation constant of a hollow metal waveguide is a strong function of frequency (a dispersion relation). Below a certain frequency (the cut off frequency) the propagation constant becomes an imaginary number. A solution to the wave equation having an imaginary wavenumber does not propagate as a wave but falls off exponentially, so the field excited at that lower frequency is considered evanescent. It can also be simply said that propagation is "disallowed" for that frequency. The formal solution to the wave equation can describe modes having an identical form, but the change of the propagation constant from real to imaginary as the frequency drops below the cut off frequency totally changes the physical nature of the result. The solution may be described as a "cut off mode" or an "evanescent mode"; while a different author will just state that no such mode exists. Since the evanescent field corresponding to the mode was computed as a solution to the wave equation, it is often discussed as being an "evanescent wave" even though its properties (such as carrying no energy) are inconsistent with the definition of wave. Although this article concentrates on electromagnetics, the term evanescent is used similarly in fields such as acoustics and quantum mechanics, where the wave equation arises from the physics involved. In these cases, solutions to the wave equation resulting in imaginary propagation constants are likewise called "evanescent", and have the essential property that no net energy is transferred, even though there is a non zero field.

Эвансценттік толқынның қолданылуы

Оптика мен акустикада эванесцентті толқындар ортада қозғалатын толқындар оның шекарасында толық ішкі шағылысқа ұшырағанда пайда болады, себебі олар оны критикалық бұрыштан үлкен бұрышпен соғады. Эванесцентті толқынның физикалық түсіндірілуі электр және магниттік өрістер (немесе акустикалық толқындар жағдайындағы қысым градиенттері) шекарада үздіксіз болуы керек, әйтпесе эванесцентті толқын өрісі болмағанда жағдай болар еді. Кванттық механикада физикалық түсіндірме де осыған ұқсас: Шредингер толқын функциясы шекараға перпендикуляр бөлшектің қозғалысын көрсетеді және шекарада үздіксіз болуы керек. Электромагниттік эванесцентті толқындар шағын бөлшектерге оптикалық сәулелену қысымын түсіру үшін, оларды эксперимент үшін ұстап тұруға немесе өте төмен температураға дейін салқындатуға, сондай-ақ микроскопия үшін биологиялық жасушалар немесе жеке ақуыз және ДНК молекулалары сияқты өте кішкентай объектілерді жарықтандыру үшін қолданылған (толық ішкі шағылысу флуоресценция микроскопындағыдай). Оптикалық талшықтан шығатын эванесцентті толқын газ сенсорларында қолданылуы мүмкін, ал эванесцентті толқындар аттенуацияланған толық шағылыс деп аталатын инфрақызыл спектроскопия әдісінде қолданылады. Электр инженериясында эванесцентті толқындар кез келген радиоантеннаның толқын ұзындығының үштен бір бөлігіне дейінгі жақын өріс аймағында кездеседі. Қалыпты жұмыс істеу кезінде антенна айналасындағы жақын өріс аймағына электромагниттік өрістерді шығарады, ал өріс энергиясының бір бөлігі қайта сіңіріледі, ал қалғаны ЭМ толқындары ретінде сәулеленеді. Жақында графен негізіндегі Брэгг торлары (бір өлшемді фотондық кристалдар) жасалды және призмалық байланыс әдісін қолдана отырып, периодтық құрылымдағы беттік электромагниттік толқындарды қоздыру қабілеті көрсетілді. Кванттық механикада Шредингер теңдеуінің эванесцентті шешімдері толқындық механикалық туннельдеу құбылысына әкеледі. Микроскопияда эванесцентті толқындардағы ақпаратты түсіретін жүйелерді супер ажыратымдылықтағы кескіндерді жасау үшін пайдалануға болады. Материя таралатын және эванесцентті электромагниттік толқындарды сәулелендіреді. Дәстүрлі оптикалық жүйелер таралатын толқындардағы ақпаратты ғана түсіреді, сондықтан дифракция шегіне ұшырайды. Эванесцентті толқындардағы ақпаратты түсіретін жүйелер, мысалы, суперлинзалар және жақын өрісті сканерлеуші оптикалық микроскопия дифракция шегін жеңе алады; алайда бұл жүйелер эванесцентті толқындарды дәл түсіру қабілетімен шектеледі. Олардың ажыратымдылығының шегі ең үлкен шешілетін толқын векторының мәнімен, объект пен сенсор арасындағы қашықтықпен және сенсор сапасының өлшемімен анықталады. Эванесцентті толқындардың практикалық қолданылуы жалпы алғанда (1) толқынмен байланысты энергия бастапқы қозғалатын толқын эванесцентті болатын кеңістікте басқа құбылысты қоздыру үшін қолданылатын жағдайлар (мысалы, толық ішкі шағылысу флуоресценттік микроскопында) немесе (2) эванесцентті толқын екі ортаны байланыстыратын және оларда қозғалатын толқындарға рұқсат беретін жағдайлар, соның салдарынан энергияны немесе бөлшекті орталар арасында беруге мүмкіндік береді (қолданыстағы толқын теңдеуіне байланысты), тіпті екі орта арасындағы кеңістікте қозғалатын толқын шешімдеріне рұқсат берілмесе де. Бұған толқындық механикалық туннельдеу мысал болады және ол жалпыға эванесцентті толқын байланысы деп аталады.

In optics and acoustics, evanescent waves are formed when waves traveling in a medium undergo total internal reflection at its boundary because they strike it at an angle greater than the critical angle. The physical explanation for the existence of the evanescent wave is that the electric and magnetic fields (or pressure gradients, in the case of acoustical waves) cannot be discontinuous at a boundary, as would be the case if there was no evanescent wave field. In quantum mechanics, the physical explanation is exactly analogous—the Schrödinger wave function representing particle motion normal to the boundary cannot be discontinuous at the boundary. Electromagnetic evanescent waves have been used to exert optical radiation pressure on small particles to trap them for experimentation, or to cool them to very low temperatures, and to illuminate very small objects such as biological cells or single protein and DNA molecules for microscopy (as in the total internal reflection fluorescence microscope). The evanescent wave from an optical fiber can be used in a gas sensor, and evanescent waves figure in the infrared spectroscopy technique known as attenuated total reflectance. In electrical engineering, evanescent waves are found in the near field region within one third of a wavelength of any radio antenna. During normal operation, an antenna emits electromagnetic fields into the surrounding nearfield region, and a portion of the field energy is reabsorbed, while the remainder is radiated as EM waves. Recently, a graphene based Bragg grating (one dimensional photonic crystal) has been fabricated and demonstrated its competence for excitation of surface electromagnetic waves in the periodic structure using a prism coupling technique. In quantum mechanics, the evanescent wave solutions of the Schrödinger equation give rise to the phenomenon of wave mechanical tunneling. In microscopy, systems that capture the information contained in evanescent waves can be used to create super resolution images. Matter radiates both propagating and evanescent electromagnetic waves. Conventional optical systems capture only the information in the propagating waves and hence are subject to the diffraction limit. Systems that capture the information contained in evanescent waves, such as the superlens and near field scanning optical microscopy, can overcome the diffraction limit; however these systems are then limited by the system's ability to accurately capture the evanescent waves. The limitation on their resolution is given by

where is the maximal wave vector that can be resolved, is the distance between the object and the sensor, and is a measure of the quality of the sensor. More generally, practical applications of evanescent waves can be classified as (1) those in which the energy associated with the wave is used to excite some other phenomenon within the region of space where the original traveling wave becomes evanescent (for example, as in the total internal reflection fluorescence microscope) or (2) those in which the evanescent wave couples two media in which traveling waves are allowed, and hence permits the transfer of energy or a particle between the media (depending on the wave equation in use), even though no traveling wave solutions are allowed in the region of space between the two media. An example of this is wave mechanical tunnelling, and is known generally as evanescent wave coupling.

Эвансентті толқындық қосқыш

Әсіресе оптикада, эвансцентті толқындық жұптасу – екі толқынның физикалық жақындығынан туындайтын құбылыс, бұл жағдайда таралатын толқындарға сәйкес келетін эвансцентті өрістер өзара әрекеттеседі. Классикалық мысал – толық ішкі шағылыстың бұзылуы (FTIR), онда толқын әдетте толық ішкі шағылысқа ұшырайтын тығыз ортаның бетіне өте жақын (графикке қараңыз) орналасқан эвансцентті өріс, жақын маңдағы басқа тығыз ортамен қабаттасады. Бұл шағылыстың толықтығын бұзады, энергияның бір бөлігін екінші ортаға бағыттайды. Екі оптикалық толқын жетектерін жұптастыру үшін талшық өзектерін жақын орналастырып, бір элементтің эвансцентті өрісі екінші талшықта толқынды қозғауға қолданылады. Бұл талшықты оптикалық бөлгіштерді жасау және талшықтық қосылыстарды құру үшін пайдаланылады. Радио (тіпті оптикалық) жиіліктерде мұндай құрылғы бағытталған жалғауыш деп аталады. Микротолқынды беріліс және модуляцияда бұл құрылғы қуатты бөлуші деп аталады. Эвансцентті толқындық жұптасу электромагниттік өріс теориясындағы жақын өріс әрекеттесуімен мағынасы бірдей. Толқынды шығаратын элементтің сипатына қарай, эвансцентті өріс негізінен электрлік (сыйымдылықты) немесе магниттік (индуктивті) болады, ал таралатын толқындардағы бұл компоненттер байланысты (бос кеңістіктің кедергісінің қатынасындағы бірдей фаза) және алыс өрісте орналасқан. Эвансцентті толқындық жұптасу әр ортаның жанындағы радиациялық емес өрісте жүзеге асады және әрқашан материямен байланысты, яғни, жартылай шағылыстыратын беттегі индукцияланған токтар мен зарядтармен байланысты. Кванттық механикада толқындық функцияның өзара әрекеттесуі бөлшектер тұрғысынан қарастырылып, кванттық туннельдеу деп сипатталады.

Қолданбалар

Эвансцентті толқындық байланыс фотоникалық және нанофотоникалық құрылғыларда толқын жетекші сенсорлары немесе қосқыштар ретінде кеңінен қолданылады (мысалы, призмалық қосқышқа қараңыз). Эвансцентті толқындық байланыс, мысалы, диэлектрлік микросфералық резонаторларды қозу үшін пайдаланылады. Эвансцентті байланыс, жақын өріс әрекеттесуі ретінде, электромагниттік үйлесімділіктің маңызды мәселесі болып табылады. Оптикалық талшықтарды жоғалтусыз біріктіру, талшықтың бөлімдеуі үшін қолданылады. Эвансцентті толқындық байланыс ерекше оптикалық берілісті теориялық тұрғыдан түсіндіруде маңызды рөл атқарады. Эвансцентті толқындық байланыс құрылғыларды сымсыз қуатпен жабдықтау үшін қолданылады. Толық ішкі шағылысу флуоресценциялық микроскопы, толық ішкі шағылысудан туындаған эвансцентті толқынды пайдаланып, бетке жақын орналасқан флуорофорларды қозады. Бұл биологиялық үлгілердің беттік қасиеттерін зерттеу қажет болғанда тиімді.