쐐기 형태의 공기 간극이 있는 두 프리즘 경계에서 빛의 전반사 임계각 및 좌절된 전반사의 터널링 깊이 측정의 정량적 접근
A Quantitative Measurements Approach of Critical Angle of Total Internal Reflection and Tunneling Depth of Frustrated Total Internal Reflection of Light at the Two Optical Prism Boundary which has Wedge-Shaped Air Gap
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초록
전자기 파동의 전반사와 소멸파는 경계면에서 전자기학 맥스웰 방정식의 잘 알려진 해이다. 이 연구에서는 전반사 임계각과 좌절된 전반사에서 터널링한 빛의 세기 분포를 정량적으로 측정하기 위한 장치들을 제작하였다. 광원은 파장 633 nm인 적색 레이저를 ND 필터로 세기를 충분히 감쇠하여 사용하였다. 감쇠된 빛은 두개의 직각 프리즘사이의 아주 좁은 쐐기형태의 공기 간극에 입사시켰다. 프리즘 뭉치는 2개의 스테핑 모터로 각각 회전과 수평 병진 동작을 구동하였다. 프리즘 뭉치에 입사하는 초기 입사각을 측정하고 이 측정값으로부터 빛이 공기 간극에 입사하는 각을 계산하였다. 공기 간극에 입사하는 지점의 위치는 수평 병진 이동 거리 측정값을 이용하여 계산하였으며, 그 위치에서 터널링하는 최단 공기 간극의 두께를 계산하였다. 터널링하는 빛의 세기는 광자 계수용 PMT로 측정하였다. 결과적으로 전반사 임계각을 정밀하게 0.06% 상대 오차로 측정할 수 있었다. 임계각 근방에서 불연속으로 패턴이 급변하는 빛의 세기 분포를 얻었다. 또한 임계각 이상의 입사각으로 공기 간극 경계면에 도달한 빛의 FTIR 분포에서 사용한 광원의 공기 간극 터널링 깊이를 얻었다.
Abstract
It is well known fact from the boundary solutions of Maxwell equations that electromagnetic waves are totally reflected inside a dense medium whenever the angle of incidence exceeds certain critical angle. Besides being totally reflected, the incoming wave penetrates into the less dense medium as an evanescent wave and travels for some depth. In this work, to measure the air gap penetrating depth of evanescent wave quantitatively, so called the frustrated total internal reflection(FTIR) phenomena, we used the traditional double prism arrangement which has a very narrow wedge shaped air gap. Specifically in this work, prism arrangement were controlled automatically by the 2 stepping motors to operate both rotational and translational work effectively. We measured the intensity of the FTIR by use of PMT photon counting system. As results, we found intensity pattern exactly looks like to well known thin film interference pattern when the incident angles were less than the critical angle. On the other hand, we measured very different exponentially decaying FTIR intensity patterns when the incident angle exceeds critical angle. Finally, we experimentally checked that evanescent wave can be penetrate across the air gap depth approximately correspond to 2 wavelength distance with the 99% probability.
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