[发明专利]利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，特别涉及利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间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。在弱损耗的待测介质中(即n″＜＜1)，对倏逝波而言，n″和能量的传播速度v成正比，即v∝n″；因此，当电磁波能量以倏逝波的形式传播时，传播一段距离L所需的时间为τ即为倏逝波辐照度的脉冲响应时间。显然，倏逝波辐照度的脉冲响应时间τ跟n″成反比，也就是说，n″决定了倏逝波辐照度的脉冲响应时间。因此，我们可以通过测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间来获得n″的值；而在一般情况下，该响应时间是可以比较方便的测量的，比如我们可以采用光学多道分析仪、辐照度光谱仪等辐照度测量装置测量该响应时间。这就是我们通过测量倏逝波辐照度的脉冲响应时间来测量介质损耗的基本思想。

此处特别强调，我们提供的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间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。事实上，在这样的系统中，即使没有介质的损耗，由于隧穿效应，倏逝波仍然具有脉冲的响应。而在我们提供的方法中，待测介质和光密介质是“单界面”的，倏逝波辐照度的脉冲响应时间由介质损耗决定。故两者有本质不同。

发明内容

本发明涉及一种利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间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辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法，包括步骤：

1)在预先给定频率范围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)用预先给定频率范围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)调节上述入射电磁波的功率，使之产生一个很小的脉冲，同时测量倏逝波的辐照度对该脉冲的响应时间；根据倏逝波辐照度的脉冲响应时间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：

其中，τ为倏逝波辐照度对所述脉冲的响应时间，L为在待测介质中测量点到“光密介质-光疏介质界面”的距离，c为真空中的光速，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部，θ为电磁波的入射角度。

优选地，所述电磁波的入射角度θ满足全反射条件：θ＞arcsin(n′₂/n₁)，其中，n₁和n′₂分别为光密介质和待测介质的折射率实部。

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)中所述辐照度测量装置包括但不限于光学多道分析仪或者辐照度光谱仪。

综上所述，本发明的利用电磁倏逝波辐照度的脉冲响应时间测量介质损耗的方法根据电磁倏逝波对介质损耗的高敏感性，通过测量在待测介质中的倏逝波辐照度的脉冲响应时间，可以精确测量介质的损耗。