Наблюдение смещения Гусса–Хэнчена при нормальном падении света в наклонных нанорешётках TiO2

Свет, который соскальзывает вбок

Когда луч фонарика попадает на зеркало или окно, мы ожидаем, что он отразится прямо назад или пройдёт прямо сквозь. Но на очень малых масштабах свет может вести себя тоньше: отражённый или прошедший луч может фактически сдвинуться вбок на многие длины волн прежде, чем выйти. В этой работе показано, как вызвать такое боковое соскальзывание в выразительной форме даже при нормальном падении света на поверхность, применяя аккуратно сформированные ряды диоксида титана на наноскопическом уровне. Такой контроль над крошечными сдвигами пучка может пригодиться при создании компактных оптических переключателей и датчиков внутри будущих чипов.

Почему свет промахивается мимо точки

Боковое смещение светового пучка у поверхности называют смещением Гусса–Хэнчена, в честь исследователей, которые впервые его измерили. В обычных материалах это смещение очень мало — порядка длины волны — поэтому его трудно обнаружить и оно не слишком практично. Ранее показывали, что специальные «метаповерхности», то есть сконструированные структуры меньшие длины волны, могут усиливать этот эффект, заставляя свет сильно резонировать при отражении или прохождении. Однако почти все предыдущие демонстрации требовали наклонного падения луча, а не нормального, потому что наклонный луч естественно ломает зеркальную симметрию поверхности и позволяет смещению проявиться.

Наклоняют структуру, а не луч

Авторы этой работы перевернули задачу: вместо того чтобы наклонять падающий луч, они наклонили саму структуру. Они спроектировали одномерную решётку из диоксида титана — прозрачного материала с высоким показателем преломления, широко используемого в оптике. Решётка состоит из параллельных гребней с периодом немного меньше длины волны красного света. Когда гребни совершенно вертикальны, рисунок сохраняет зеркальную симметрию и может удерживать определённые волны в специальных «связанных» модах, которые не излучают наружу. Введение небольшого наклона гребней аккуратно нарушает эту симметрию. Тогда связанная мода начинает слабо утекать, достаточно чтобы сильно взаимодействовать с проходящим светом, создавая чрезвычайно острую резонансную особенность, при которой пропускание почти достигает 100 процентов, а фаза света очень резко меняется с направлением.

От скрытых потоков энергии к гигантским сдвигам

С помощью детальных численных моделирований команда показала, что такое нарушение симметрии создаёт сильные боковые потоки энергии внутри решётки, даже при нормальном падении света. На длинах волн возле резонанса около 780 нанометров латеральный поток энергии становится доминирующим, и рассчитанное смещение Гусса–Хэнчена может достигать сотен длин волн — значительно больше, чем на обычных интерфейсах. При моделировании реалистичного пучка с конечной шириной исследователи обнаружили, что проходящий пучок может раскалываться или менять направление своего сдвига при изменении длины волны на доли нанометра — прямой признак острой резонансной структуры, создаваемой наклонными нанорешётками.

Вырезая наноскопические пандусы

Чтобы воплотить проект в реальность, исследователи разработали точный процесс изготовления на основе реактивного ионно-пучкового травления. Начиная с плоской кварцевой пластинки, покрытой тонкой плёнкой диоксида титана и металлической маской, они использовали электронно-лучевую литографию для задания рисунка решётки, а затем травили гребни при контролируемом угле установки образца. Тщательно балансируя химическое и физическое травление, удалось получить гладкие, равномерно наклонённые боковые стенки без применения индивидуальных форм для каждого угла. Измерения в многочисленных точках образца показали, что период, ширина, высота и угол наклона соответствуют проекту с погрешностью примерно в один процент, что указывает на высокую воспроизводимость наноструктур на больших площадях.

Наблюдая, как пучок соскальзывает

Для экспериментального наблюдения бокового сдвига команда сначала подтвердила с помощью угловых измерений отражения, что наклонные решётки поддерживают предсказанные острые резонансы, которые появляются только при наклоне гребней. Затем они собрали оптическую установку, в которой массивы небольших отверстий формировали узкие, почти параллельные пучки, проходящие либо через плоскую плёнку диоксида титана, либо через структурированную наклонную решётку. На длинах волн вне резонанса выходные пятна от обоих образцов совпадали. Но когда полосовой фильтр выделял свет около 780 нанометров, пятно, выходящее из наклонной решётки, смещалось вбок примерно на пять микрометров относительно эталонной плёнки — ясное свидетельство смещения Гусса–Хэнчена при нормальном падении. Измеренное смещение оказалось меньше, чем предсказывали идеализированные расчёты, вероятно потому, что источник света имел конечную спектральную ширину, а реальные структуры не идеально соответствовали геометрии модели.

Новые способы управлять светом на чипе

Проще говоря, эта работа показывает, что можно сдвинуть световой пучок вбок, не наклоняя сам пучок — достаточно формировать поверхность, через которую он проходит, в виде крошечных наклонных гребней. Авторы демонстрируют как принципы проектирования, так и практический производственный путь для таких структур, и напрямую измеряют возникающее смещение пучка. Такой уровень управления открывает новые возможности для создания плоских оптических элементов, не требующих юстировки, которые смещают пучки на заданные величины, позволяя создавать компактные устройства управления пучком, интегрированные датчики и более универсальные нанофотонные схемы.

Цитирование: 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

Ключевые слова: смещение Гусса–Хэнчена, наклонные нанорешётки, метаповерхности, управление пучком, нанофотоника