Obserwacja przesunięcia Goos–Hänchena przy normalnym padaniu na pochyłe nanoryski TiO2

Światło, które przesuwa się na boki

Kiedy wiązka latarki trafia w lustro lub szybę, oczekujemy, że odbije się prosto z powrotem albo przejdzie dokładnie na wylot. Jednak na bardzo małych skalach światło może zachowywać się subtelniej: wiązka odbita lub przepuszczona może naprawdę przesunąć się bokiem o wiele długości fali, zanim się pojawi. W tej pracy pokazano, jak wywołać takie boczne przesunięcie w spektakularny sposób, nawet gdy światło pada prostopadle, wykorzystując starannie ukształtowane rzędy ditlenku tytanu na poziomie nanometrowym. Taka kontrola nad mikroskopijnymi przesunięciami wiązki może być użyteczna przy tworzeniu kompaktowych przełączników optycznych i czujników wewnątrz przyszłych układów.

Dlaczego światło może chybić punkt

Boczne przesunięcie wiązki światła przy powierzchni nazywa się przesunięciem Goos–Hänchena, od nazwisk naukowców, którzy je po raz pierwszy zmierzyli. W zwykłych materiałach to przesunięcie jest niewielkie — rzędu długości fali światła — dlatego trudno je wykryć i ma małą praktyczną wartość. Wcześniejsze prace wykazały, że specjalne „metapowierzchnie”, czyli zaprojektowane wzory mniejsze od długości fali, mogą wzmocnić ten efekt, wymuszając silne rezonanse przy odbiciu lub przejściu światła. Jednak niemal wszystkie wcześniejsze demonstracje wymagały, by światło padało pod kątem, nie prosto, ponieważ pochyła wiązka naturalnie łamie symetrię lustrzaną powierzchni i pozwala, by przesunięcie się ujawniło.

Pochylenie struktury zamiast wiązki

Autorzy tego artykułu odwrócili problem: zamiast przechylać padającą wiązkę, przechylili samą strukturę. Zaprojektowali jednowymiarową siatkę z ditlenku tytanu, przezroczystego materiału o wysokim współczynniku załamania powszechnie stosowanego w optyce. Siatka składa się z równoległych grzbietów o okresie nieco mniejszym niż długość fali czerwonego światła. Gdy grzbiety są idealnie pionowe, wzór jest symetryczny względem odbicia i może więzić pewne fale światła w specjalnych trybach „wiązanych”, które nie promieniują na zewnątrz. Wprowadzenie niewielkiego pochylenia grzbietów delikatnie łamie tę symetrię. Uwięzione tryby zaczynają wtedy lekko wypływać, by silnie oddziaływać z przechodzącym światłem, tworząc niezwykle wąski rezonans, przy którym transmisja niemal osiąga 100 procent, a faza światła zmienia się bardzo stromo w zależności od kierunku.

Od ukrytych przepływów energii do gigantycznych przesunięć

Poprzez szczegółowe symulacje komputerowe zespół wykazał, że to złamanie symetrii generuje silne boczne przepływy energii wewnątrz siatki, nawet gdy padająca wiązka jest skierowana prosto w nią. Przy długościach fal bliskich rezonansu około 780 nanometrów boczny przepływ energii staje się dominujący, a obliczane przesunięcie Goos–Hänchena może osiągać setki długości fali — znacznie więcej niż na zwykłych granicach. Symulując realistyczną wiązkę o skończonej szerokości, stwierdzili, że wiązka transmitowana może się rozszczepiać lub zmieniać kierunek przesunięcia przy ułamkach nanometra zmiany długości fali, co jest bezpośrednim sygnałem ostrego rezonansu powstałego dzięki pochyłym nanoryskom.

Wyrzeźbione nanorampy

Aby zrealizować projekt, badacze opracowali precyzyjny proces wytwarzania oparty na reaktywnej trawieniu wiązką jonów. Zaczynając od płaskiej płytki kwarcowej pokrytej cienką warstwą ditlenku tytanu i metalową maską, użyli litografii elektronowej, by zdefiniować wzór siatki, a następnie trawili grzbiety przy kontrolowanym kącie nachylenia próbki. Poprzez staranne zbalansowanie procesów chemicznego i fizycznego trawienia uzyskali gładkie, jednolicie pochyłe ścianki bez konieczności stosowania specjalnych form dla każdego kąta. Pomiary w wielu punktach na próbce wykazały, że okres, szerokość, wysokość i kąt pochylenia odpowiadały projektowi w przybliżeniu co do jednego procenta, co wskazuje na wysoko powtarzalne nanostruktury na dużych obszarach.

Obserwacja przesunięcia wiązki

Aby zaobserwować eksperymentalnie boczne przesunięcie, zespół najpierw potwierdził poprzez pomiary odbicia zależne od kąta, że pochyłe siatki wspierają przewidywane ostre rezonanse, które pojawiają się tylko przy przechylonych grzbietach. Następnie zbudowali układ pola świetlnego, w którym szeregi małych otworów tworzyły wąskie, niemal równoległe wiązki przechodzące przez gładką warstwę ditlenku tytanu albo przez ukształtowaną pochyłą siatkę. Przy długościach fal poza rezonansem plamy wyjściowe z obu próbek zbiegały się. Jednak gdy filtr pasmowy wyodrębnił światło bliskie 780 nanometrów, plama wychodząca z pochyłej siatki była przesunięta na bok o około pięć mikrometrów względem próbki odniesienia — wyraźny dowód przesunięcia Goos–Hänchena przy normalnym padaniu. Zmierzone przesunięcie było mniejsze niż przewidywały idealizowane symulacje, prawdopodobnie dlatego, że źródło światła miało skończoną szerokość spektralną, a rzeczywiste struktury nieznacznie odbiegały od doskonałej geometrii.

Nowe sposoby sterowania światłem na układzie

W prostych słowach ta praca pokazuje, że można przesunąć wiązkę światła na boki bez przechylania samej wiązki — wystarczy wyrzeźbić powierzchnię, przez którą przechodzi, w drobne, pochyłe grzbiety. Autorzy demonstrują zarówno zasady projektowania, jak i praktyczną drogę produkcyjną dla takich struktur, a także bezpośrednio mierzą powstałe przesunięcie wiązki. Tego rodzaju kontrola otwiera nowe możliwości budowy płaskich, nie wymagających ustawiania elementów optycznych, które przesuwają wiązki o określone wartości, umożliwiając kompaktowe urządzenia do sterowania wiązką, czujniki na chipie i bardziej wszechstronne układy nanofotoniczne.

Cytowanie: Ji, X., Wang, B., Pan, R. et al. Observation of Goos-Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO₂ Nanogratings. npj Nanophoton. 3, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

Słowa kluczowe: przesunięcie Goos–Hänchena, pochyłe nanoryski, metapowierzchnie, sterowanie wiązką, nanofotonika