Observation of Goos-Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO2 Nanogratings

Ljus som glider åt sidan

När en ficklampsstråle träffar en spegel eller ett fönster förväntar vi oss att den reflekteras rakt tillbaka eller passerar rakt igenom. Men på mycket små skalor kan ljus bete sig mer subtilt: en reflekterad eller transmitterad stråle kan faktiskt glida åt sidan med många våglängder innan den lämnar ytan. Denna studie visar hur man kan åstadkomma ett sådant sidoliggande glid på ett dramatiskt sätt, även när ljuset träffar en yta rakt på, genom noggrant formade rader av titandioxid i nanoskala. Denna kontroll över små strålskiftningar kan bli användbar för att bygga kompakta optiska switchar och sensorer i framtida kretsar.

Varför ljuset kan missa prickar

Den sidoförskjutning som en ljusstråle uppvisar vid en yta kallas Goos–Hänchen-förskjutning, uppkallad efter de forskare som först mätte den. I vardagliga material är denna förskjutning liten—ungefär lika stor som en ljusvåglängd—så den är svår att upptäcka och inte särskilt praktisk. Tidigare arbete visade att speciella ”metaytor”, som är konstruerade mönster mindre än våglängden, kan förstärka denna effekt genom att tvinga ljuset att resonera starkt när det reflekteras eller passerar igenom. Men nästan alla tidigare demonstrationer krävde att ljuset anlände snett, inte rakt på, eftersom en lutande stråle naturligt bryter spegelsymmetrin i ytan och tillåter förskjutningen att uppträda.

Tilta strukturen, inte strålen

Författarna till denna artikel vände på problemet: istället för att luta den inkommande strålen lutade de själva strukturen. De formgav ett endimensionellt galler av titandioxid, ett transparent material med hög brytningsindex som ofta används inom optik. Gallerstrukturen består av parallella åsar med en period något mindre än rödljustets våglängd. När åsarna är helt vertikala är mönstret spegelsymmetriskt och kan fånga vissa ljusvågor i speciella ”bundna” lägen som inte strålar ut. Genom att införa en liten lutning i åsarna bryter de försiktigt denna symmetri. De bundna lägena läcker då precis så mycket att de interagerar starkt med det passerande ljuset, vilket ger en extremt skarp resonans där transmissionen nästan når 100 procent samtidigt som ljusets fas förändras mycket brant med riktningen.

Från dolda energiflöden till jättelika förskjutningar

Genom detaljerade dator­simuleringar visade teamet att denna symmetribräckning skapar starka laterala energiflöden inuti gallret, även när den inkommande strålen pekar rakt mot det. Vid våglängder nära en resonans runt 780 nanometer blir det laterala energiflödet dominerande och den beräknade Goos–Hänchen-förskjutningen kan nå hundratals våglängder—mycket större än vid vanliga gränsytor. Genom att simulera en realistisk ljusstråle med ändlig bredd fann de att den transmitterade strålen kunde delas eller svänga i skiftriktning över bråkdelar av en nanometer i våglängd, ett direkt tecken på den skarpa underliggande resonansen som skapas av de lutande nanogallren.

Skära nanoskala ramper

För att göra designen verklig utvecklade forskarna en precis framställningsprocess baserad på reaktiv jonstråleetsning. Med start från en platt kvartswafer täckt med en tunn titandioxidfilm och en metallduk använde de elektronstrålelitografi för att definiera galler­mönstret och etsade sedan åsarna medan provet hölls i en kontrollerad vinkel. Genom att noggrant balansera kemisk och fysisk etsning uppnådde de släta, enhetligt lutade sidoväggar utan att behöva specialgjutformar för varje vinkel. Mätningar på många punkter över provet visade att period, bredd, höjd och lutningsvinkel överensstämde med designen inom cirka en procent, vilket tyder på mycket reproducerbara nanostrukturer över stora ytor.

Se strålen glida

För att observera sidoförskjutningen experimentellt bekräftade teamet först, via vinkelupplösta reflektionsmätningar, att de lutande gallren stöder de förutsagda skarpa resonanser som bara uppträder när åsarna är lutade. De byggde sedan en ljusfältsuppställning där arrayer av små hål producerade smala, nästintill parallella strålar som passerade antingen genom en slät titandioxidfilm eller genom det mönstrade, lutande gallret. Vid icke-resonanta våglängder sammanföll utgångsfläckarna från båda proverna. Men när ett bandpassfilter valde ut ljus nära 780 nanometer var fläcken som kom ut ur det lutande gallret förskjuten i sidled med ungefär fem mikrometer i förhållande till referensfilmen—tydlig bevisning för en normal-incidens Goos–Hänchen-förskjutning. Den uppmätta förskjutningen var mindre än vad idealiserade simuleringar förutspådde, troligen eftersom ljuskällan hade en ändlig spektral bredd och de verkliga strukturerna avvek något från den perfekta geometrin.

Nya sätt att styra ljus på en chip

Enkelt uttryckt visar detta arbete att du kan styra en ljusstråle i sidled utan att luta själva strålen—bara genom att forma ytan den passerar genom till små, lutande åsar. Författarna demonstrerar både designprinciperna och en praktisk tillverkningsväg för sådana strukturer, och de mäter direkt den resulterande strålförskjutningen. Denna typ av kontroll öppnar nya möjligheter för att bygga plana, justeringsfria optiska element som knuffar ljusstrålar med kontrollerade belopp, vilket möjliggör kompakta strålningsstyrningsenheter, chipbaserade sensorer och mer mångsidiga nanofotoniska kretsar.

Citering: 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

Nyckelord: Goos-Hänchen shift, slanted nanogratings, metasurfaces, beam steering, nanophotonics