倾斜TiO2纳米光栅下正入射情况下的固斯—亥因赫滞后位移观测

横向滑动的光

当手电筒的光束照到镜子或窗玻璃上时，我们通常期望它会直线反射回来或直接穿透过去。但在非常小的尺度上，光的表现更加微妙：反射或透射的光束在出现之前可能会沿横向滑动数个波长。该研究展示了如何在光线正面入射时也能让这种横向滑移以戏剧性的方式发生，方法是用精心雕刻的二氧化钛纳米尺度排列条纹。对这种微小光束位移的控制，可能有助于在未来芯片内构建紧凑的光学开关和传感器。

为何光会错过目标

光在界面处的横向位移被称为固斯—亥因赫（Goos–Hänchen）位移，以首次测量该效应的科学家命名。在常见材料中，这种位移非常微小——大约相当于一个波长——因此难以检测且实用性有限。早期工作表明，特殊的“超表面”（尺寸小于波长的工程化图案）可以通过在反射或透射过程中强烈激发共振来放大这一效应。然而，几乎所有先前的示例都需要光以倾斜角入射而非正面入射，因为倾斜的入射天然破坏表面的镜像对称性，从而允许位移出现。

不是倾斜光束，而是倾斜结构

本文作者将问题反过来处理：他们没有倾斜入射光束，而是倾斜了结构本身。他们设计了一种由二氧化钛制成的一维光栅，二氧化钛是一种透明且折射率较高的光学材料。该光栅由周期略小于红光波长的平行脊线组成。当脊线完全垂直时，图案具有镜面对称性，可以将某些光波困于不辐射的“束缚”模式中。通过给脊线引入微小的倾斜，他们轻微地破坏了这种对称性。被束缚的模式因此发生适度泄漏，从而能与通过的光发生强烈相互作用，产生极为尖锐的共振：在该共振处透射几乎达到100%，而光的相位随角度急剧变化。

从隐藏的能量流到巨大的位移

通过详尽的数值模拟，团队证明了这种对称性破缺在光栅内部产生了强烈的横向能量流，即使入射光束正对着它。在靠近约780纳米的共振波长处，横向能量流占主导地位，计算得到的固斯—亥因赫位移可达数百个波长——远大于普通界面上的情况。在对有限宽度的实际光束进行模拟时，他们发现透射光束可能在极小的波长变化下出现分裂或位移方向翻转，这直接反映了由倾斜纳米光栅产生的尖锐共振特征。

雕刻纳米级斜坡

为了将设计变为现实，研究者开发出基于反应离子束刻蚀的精确加工工艺。以涂有一层薄二氧化钛膜和金属掩膜的平坦石英晶片为起点，他们利用电子束光刻定义光栅图案，然后在受控角度下对样品进行脊线刻蚀。通过在化学和物理刻蚀之间仔细平衡，他们实现了平滑且均匀倾斜的侧壁，而不需要为每个角度制作定制模具。对样品多点的测量显示，周期、宽度、高度和倾斜角度与设计一致性达到约1%以内，表明在大面积上可以实现高度可重复的纳米结构。

观测光束的滑动

为在实验中观察横向位移，团队首先通过角分辨反射测量确认：仅在脊线倾斜时，倾斜光栅才支持预测中的尖锐共振。随后他们构建了一个光场测量装置，其中由一组小孔形成的阵列产生窄而近似平行的光束，分别通过一片平坦的二氧化钛薄膜或经图案化的倾斜光栅。在离共振的波长处，两种样品的输出光斑位置一致。但当用带通滤光片选出靠近780纳米的光时，从倾斜光栅出来的光斑相对于参考薄膜横向偏移了约5微米——这是正入射固斯—亥因赫位移的明确证据。测得的位移小于理想化模拟的预测，原因可能是光源具有有限的光谱宽度且实际结构与理想几何存在细微偏差。

在芯片上以新方式操控光

简而言之，这项工作表明：无需倾斜光束本身，只需将光通过的表面雕刻成微小的倾斜脊线，就能实现光束的横向偏移。作者既展示了设计原理，也提供了可行的制造路径，并直接测量了由此产生的光束位移。这类控制为构建平面化、免对准的光学元件打开了新可能，可实现受控偏转的紧凑光束偏转器、片上传感器以及更灵活的纳米光子学电路。

引用: 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

关键词: 固斯—亥因赫位移, 倾斜纳米光栅, 超表面, 光束偏转, 纳米光子学