76、内反射光谱学的原理、理论与实践

内反射光谱学的原理、理论与实践

1. 引言

早在公元前300年，欧几里得就阐明了光的传播和反射定律。17世纪初，牛顿发现了光的全内反射（TIR）现象，还观察到了发生全内反射的介质外存在的倏逝场。然而，直到20世纪，人们才利用这一现象来产生吸收光谱。内反射光谱学（IRS）的起源在于，当辐射的传播波在光学密度较大的介质中发生全内反射时，与之接触的光学密度较小的介质中会存在倏逝场。因此，对IRS理论的探讨必须从描述倏逝场的性质开始。

倏逝场是光学密度较小的介质中的一种非传播、呈指数衰减的场，它是由光学密度较大的介质中在全反射界面处形成的驻波产生的。“倏逝”一词源于拉丁语“evanescere”，意为像蒸汽一样趋于消失。

2. 原理与理论

2.1 全内反射条件

辐射在折射率为 $n_1$ 的光学密度较大的介质1中传播，当入射角 $\theta$ 超过临界角 $\theta_c$ 时，在与折射率为 $n_2$ 的光学密度较小的介质2的界面处会发生全内反射。入射角 $\theta$ 是相对于法线的角度，临界角由以下公式定义：
$\theta_c = \sin^{-1} n_{21}$，其中 $n_{21} = n_2 / n_1$。

2.2 倏逝场的性质

在半无限非吸收介质界面处对无限平面波的全内反射进行简单处理时，可得到倏逝场的一些性质：
- 能量无损失 ：在光学密度较小的介质中，场强不为零，且存在一个瞬时的法向能量流进入该介质，但其时间平均值为零。因此，没有能量损失，光学密度较大的介质中的传播辐射会发生全内反射。
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