在法向入射條件下實現Goos–H?nchen 位移的新路徑——傾斜 TiO? 納米光柵中的 Q-BIC 機制

論文信息：
Xu Ji, Bo Wang, Ruhao Pan, Haifang Yang, Fuli Zhang, Yuancheng Fan, Junjie Li, Observation of Goos–H?nchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO? Nanogratings, npj Nanophotonics 3, 12 (2026).

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

研究背景

在傳統光學界面中， Goos–H?nchen 位移通常只在斜入射條件下才明顯出現，而法向入射時由于對稱性存在，橫向能流為零，位移幾乎不可觀測。這種限制在一定程度上阻礙了其在片上光子器件中的應用，因為實際系統往往更希望在無需精確角度調節的情況下實現光束操控。近年來，超構表面與高 Q 共振的引入為增強 GH 位移提供了新思路，但仍然依賴入射角破缺對稱性。于是，一個核心問題逐漸浮現：能否在法向入射條件下，通過結構本身打破對稱性，從而誘導可觀測的 GH 位移？

研究內容

首先從物理機制入手，提出通過傾斜納米光柵打破平面鏡面對稱性，從而將原本的對稱保護型BIC轉化為準連續束縛態（Q-BIC）。這種結構擾動使透射相位對面內波矢產生強烈非對稱依賴，進而在法向入射條件下形成橫向能流，理論上即可產生GH位移。模擬結果顯示，在共振波段附近，橫向 Poynting分量顯著增強，預示著位移效應的出現。

圖1｜傾斜 TiO? 納米光柵的仿真特性。(a) 不同傾斜角度下納米光柵的透射光譜仿真結果。(b) 品質因數 Q 隨傾斜角 θ 的變化關系。(c) 計算得到的坡印廷矢量 x 分量 。(d) 在 θ = 10° 時仿真的 Goos–H?nchen（GH）位移，并以波長 λ 歸一化表示。(e) GH 位移與波長之間的關系。

進一步的全波仿真揭示了光束傳播行為。即使入射光束中心波矢為零，有限光束仍包含非零橫向分量，在 Q-BIC 共振附近會產生明顯的光斑偏移，甚至出現正負符號可切換的位移特性，這意味著結構具備可調控的光束操控能力。

圖2｜光束傳播與 GH 位移的 FDTD 仿真。(a) 仿真配置示意圖。(b)–(d) 當波長分別為780nm、781nm 和779.5nm 時的功率分布剖面。(e)–(g) 在距離 d = 8 μ m 處記錄的功率分布，分別對應波長為780nm、781 nm 和 779.5 nm 的情況。

隨后通過反應離子束刻蝕工藝實現高質量傾斜TiO?納米光柵的制備。工藝調控確保了側壁平滑度與傾角一致性，為后續實驗驗證提供了結構基礎，也證明這種三維結構并非僅停留在理論層面，而具備可實現性。

圖3｜傾斜光柵的制備流程與側壁形貌。(a) TiO? 傾斜光柵納米結構的制備工藝流程示意圖。(b) 反應離子束刻蝕（RIBE）加工示意圖。(c)–(e) 在 CHF? 與 Ar 氣體配比合適(c)、過高(d)以及過低(e)時制備得到的傾斜光柵的 SEM 圖像。比例尺：400 nm。

結構表征顯示，所制備的光柵能夠穩定支持Q-BIC共振，并且共振位置隨傾角變化而可調。這一特性直接體現了對稱性破缺對模式泄露與Q 因子的調控作用，為實現法向入射GH 位移奠定了條件。

圖4｜制備傾斜納米結構的結構表征。(a) 采用反應離子束刻蝕（RIBE）制備的 TiO? 納米光柵與 SiO? 二維陣列的形貌。(b) 通過 RIBE 制備的 TiO? 光柵在不同傾斜角（0°、5°、10°）下的形貌對比。比例尺： (a) 400 nm；(b–d) 350 nm。

在角分辨反射譜中，可以觀察到當結構傾斜后，原本在法向入射處消失的對稱保護模式轉化為可觀測共振峰，這一現象正是BIC向Q-BIC演化的直接證據。共振帶寬隨傾角增大而展寬，與輻射泄露增強的理論預期一致。

圖5｜制備光柵的角分辨反射光譜。(a)–(c) 分別為傾斜角 0°、5° 和 10° 的 TiO? 光柵樣品的實驗測得角分辨反射光譜。(d)–(f) 對應 TiO? 樣品在法向入射條件下的反射光譜。

在最終通過光場探測系統完成直接實驗測量。在共振波長附近，透射光斑相較于平面薄膜出現約5μm的橫向偏移，而在遠離共振波段時位移消失，明確驗證了法向入射GH位移的存在，并與理論預測保持一致。

圖6｜實驗裝置及法向入射 GH 位移的觀測。(a) 實驗裝置示意圖：BPF 為帶通濾波片，LP 為線偏振片，O為物鏡，CCD為相機。(b)(c) 未圖案化 TiO? 薄膜在加入與不加入 780 nm 帶通濾波片時的透射光斑圖像。(d)(e) 未圖案化 TiO? 薄膜與傾斜光柵在光路中加入中心波長為670nm的帶通濾波片時的透射光斑圖像。(f)(g) 在加入 780nm濾波片后，未圖案化 TiO? 薄膜與傾斜光柵的透射光斑圖像。比例尺：25 μm。

結論與展望

這項研究展示了一種突破傳統光學限制的思路，即在法向入射條件下實現可觀測的Goos–H?nchen位移。核心在于利用傾斜TiO? 納米光柵打破結構鏡面對稱性，使原本受保護的BIC 模式轉化為高Q的Q-BIC共振，從而在零面內波矢條件下誘導橫向能流。理論分析表明，傾斜結構使透射相位對面內動量產生陡峭色散，成為法向GH 位移的根源。通過反應離子束刻蝕技術成功制備高質量納米光柵，實現了可控傾角與良好結構均勻性，并在角分辨光譜中驗證了Q-BIC 共振的存在。進一步實驗測量顯示，在共振波段附近透射光束產生微米量級橫向偏移，而在非共振條件下該效應消失，證明位移具有明顯的頻率選擇性。相比傳統依賴斜入射的GH 機制，該方法無需角度調節，具有更高的集成潛力，為片上光束操控、光學開關及傳感等緊湊型光子器件提供了新的設計路徑。