什么是隐矢波（Evanescent Waves）？

隐矢波是只存在于离具有不同折射率的两种材料的边界或界面很短距离内的电磁波。它们也被称为近场波或隧道波。当一束光照射到两种材料之间的界面时，一部分光被反射，而另一部分则发生了透射。在界面上，透射的光产生了一个隐矢波，它随着与形成波的界面的距离呈指数级衰减。这些振荡波能穿透几十纳米，特别是穿过发生全内反射的表面。隐矢波在许多应用中都很重要，如光学显微镜、光通信和表面等离子体共振感应。

当一个电磁波在介质中传播时，它可以产生一个隐矢场。隐矢场的特点是振幅随离边界的距离呈指数衰减，在远场无法观察到，因为其振幅下降得太快。电磁场只存在于靠近介质边界的地方。它并不独立于入射和反射场而存在。它只满足电磁边界条件。它们对于理解光在具有不同折射率的材料之间的界面上的行为很重要，例如在光波导和共振器中。这种波场也出现在光学和其他类型的电磁辐射、声学和量子力学中。

衰减波包含的能量被限制在边界周围的一个小区域内。与传播的波相反，它们的振幅随着与边界的距离呈指数级衰减。它们对能量的辐射转移没有贡献，是麦克斯韦方程的非正弦解。这种隐矢场的存在在光纤中是很重要的，在光纤中，光通过全内反射被限制在一根薄玻璃光纤中。

当光场穿过比周围介质折射率高的介质时，一些光线从界面上以大于临界角的角度（内部）反射，导致全内反射发生。

入射角和折射角是由斯内尔定律联系起来的、

n₁ = 低折射率介质

n₂ = 高折射率介质

θ_i = 入射角

θ_t = 透射角

透射波刚刚擦过边界的入射角是临界角，θ_c

如果θ_i = θ_c，那么θ_t = 90°。

如果θ_i  > θ_c 

因此，θ_r是一个不存在的假想折射角。

其中、

因此，入射光被完全反射回它所来自的介质。当入射波在第一种介质中被完全反射时，没有任何一部分波被传播到第二种介质中。这代表了界面上的电磁场的不连续性。然而，麦克斯韦的边界条件不允许在界面上出现不连续。换句话说，紧邻介质外的场不能是零。相反，必须有一些不传播的电磁场，并在界面的法线上迅速衰减。

除非在它所经过的介质中被吸收，否则没有能量因蒸发波而损失。因此，反射波的能量与入射波的能量相等。根据能量守恒，不可能有传播中的透射波，这必然会将能量从介质中转移出去。

衰减波在数学上可以用一个波矢量来描述，其中一个或多个波矢量的分量有一个虚值。电场可以被描述为 

E₀是波沿界面传播的情况

E^{i(Kx x̂-iωt)}是波的时间依赖性

e^{-Keva ẑ}是沿界面传播的波的振幅的指数衰减。

上述方程描述了沿边界方向在X方向传播的波。

电磁能的净能量流由平均Poynting矢量给出，它是零。

隐矢波的偏振取决于入射波。

平行偏振，即蒸发场沿界面旋转，比垂直偏振更强烈。
两者都可以大于入射强度。
对于一个s极化的入射波，极化仍然是s极化，但有一个相位滞后。

光纤光学

在光纤中，光以接近临界角的角度反射，很大一部分功率延伸到包层介质中。延伸的功率变成了 evanescent 波。隐矢波已被利用来实现对表面特定识别事件的实时讯问。它在光纤生物传感器中得到了应用，它利用了全内反射的概念。在光纤中，光通过反复反射包层-核心界面而穿过光纤。渗透深度描述了蒸发场延伸到芯包层界面之外的距离。该距离在芯包层接口处减少到其值的1/e。

渗透深度是由公式给出的：

其中，x是离纤芯的距离，从纤芯-包层界面的x=0开始，E0是界面上的场强大小

d_p是穿透深度。

隐矢波的应用

隐矢波在光纤和其他领域有重要的应用，包括：

光学显微镜： 全内反射荧光显微镜利用蒸发波来研究生物样品的表面特性
化学传感： 在显微镜中用于照亮小物体，如生物细胞或DNA分子。
表面质子共振： 在谐振入射角度激发表面质子
在光子和纳米光子设备中使用，对波导外的体积进行取样传感
瞬时波耦合和传感器
 

隐矢波耦合

隐矢波耦合是一个术语，用于描述电磁波如何利用退化的电磁场从一个系统耦合并发送至另一个系统。为了实现耦合，两个或更多的电磁元素，如光波导、谐振器、天线等被放在一起。这最大限度地减少了一个电磁元件产生的隐矢场在到达另一个元件之前衰减的时间。隐矢场在波导中产生传播的波模式。这些模式将波从一个波导连接或耦合到下一个波导，只要接收波导能支持适当频率的模式。

在量子力学和光学中，隐矢波与量子隧穿现象有关。它是波函数的一个障碍穿透。

隐矢波传感器

隐矢波传感器是光纤传感器，通过检测传感器表面附近材料的折射率的变化而工作。在这些传感器中，光通常沿着波导的表面被引导，如光纤或平面波导，以获得足够的灵敏度。当一种折射率比波导高的材料被放置在波导表面附近时，隐矢波就会延伸到材料中。与材料的相互作用导致了导引光的强度或相位的变化。这种变化可以通过测量来确定材料的特性，如其折射率、厚度或与特定分子的结合亲和力。

这种传感器的主要问题是隐矢场和待测物（被测物）之间的低相互作用。就波导而言，互动与包层中的穿透深度成正比。这个深度与光纤的光电几何参数有关，这些参数在归一化的频率'V'中得到了总结。V "值越高，在隐矢场中的穿透就越深。

在这些传感器中，光纤的保护性塑料套已被移除，包层已通过抛光或化学手段被减少。因此，通过仔细选择操作的波长，对化学物种的检测变得简单明了。被测物可以通过对隐矢波的吸收进行检测，产生泄漏并调节光强度。

特殊的纤维，如D型纤维或微结构的纤维被用来增加与隐矢场的相互作用。也可以通过将光纤加热到其软化温度，然后通过拉伸来使其变尖。通常调整包层的厚度，选择更薄或更大的包层，以适应被检测物质的光学特性的变化。这种修改直接影响到蒸发波的行为，它对周围介质的特性很敏感。
 

隐矢波传感器的应用

衰减波传感器通常用于生化传感应用，如检测样品中特定生物分子的存在，以及环境监测和工业过程控制。

生物传感： 这些传感器通常用于生物大分子的无标签检测，如蛋白质、DNA和小分子。它可以检测到目标分子与传感器表面的特定受体结合而引起的样品折射率的变化。
环境监测： 检测和测量水、空气和土壤中的各种污染物和杂质。它们还可以检测样品的化学成分的变化，如pH值、温度和湿度。
工业过程控制： 对工业过程进行实时监测，如食品和饮料行业、医药制造、石油和天然气勘探。传感器可以检测过程介质的组成变化，如特定化学品的浓度或杂质的存在。
医学诊断： 用于癌症和传染病的早期检测和诊断。它可以检测血液、唾液或尿液中特定生物标志物浓度的变化，这表明疾病或感染。