通过使用具有β相Ga?O?的超双曲剪切极化子，在中红外光谱中显著增强了Goos-H?nchen位移效应

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Giant enhancement of the Goos-H?nchen shift by hyperbolic shear polaritons with beta-phase Ga 2O 3 in the mid-infrared spectrum

Goos-H?nchen位移在中红外波段可通过β-Ga?O?的Otto结构实现，其超曲率剪切极化子激发导致反射相位变化，通过调节空气间隙厚度和入射角可达成2000λ量级位移并设计各向异性折射率传感器，在生物传感和光学检测等领域有应用潜力。

　　

卢阳|熊文晨|刘畅|王增|刘新武|刘志豪

淮化大学物理、电子与智能制造学院，中国淮化418008

摘要

在本文中，我们基于β-相Ga?O?（bGO）的Otto配置，理论研究了Goos-H?nchen（GH）位移现象。研究表明，当入射光为TM偏振光时，双曲剪切极化子（HShPs）可以在中红外范围内引起显著的GH位移。反射中的显著GH位移是由界面处的局部相位变化引起的，这些相位变化是由于HShPs的激发所致。GH位移的大小和符号会随着设备的旋转和空气间隙厚度的变化而变化。通过选择适当的空气间隙厚度和入射角度，可以在入射角附近实现高达$2000\lambda$的GH位移。利用这种可调的GH位移，我们设计了一种各向异性折射率传感器，为潜在的工业应用提供了理论指导。此外，我们的结果表明，基于棱镜耦合的可调GH位移方法在生物传感、光束对准和光学检测方面具有显著的应用潜力。

引言

Goos–H?nchen（GH）位移是一种光学现象，发生在光束发生全内反射并在两种介质的界面处产生横向位移时。这一现象最初由Goos和H?nchen观察到，后来由Artmann[1]、[2]进一步阐明。近年来，GH位移因其在集成光子器件[3]、[4]、光开关[5]、[6]、传感器[7]、[8]和精密测量系统[10]中的重要应用而受到广泛关注。最近，Negar Shaabani等人[11]利用石墨烯制成的双曲超材料（HMM）片层增强了并控制了GH位移。此外，通过在复合光栅波导结构中利用准束缚态[12]、[13]也实现了显著的GH位移。通过在全内反射界面激发表面等离子体共振（SPR）来诱导突然的相位变化也被认为非常有效[14]、[15]。Li等人[16]证明，像hBN这样的天然双曲材料（NHMs）可以通过激发表面声子极化子（SPhPs）来调节GH位移。基于这些物理机制，人们设计了各种微纳结构来增强GH位移。然而，这些研究通常通过修改光子器件的表面结构或调整内部参数（如二维材料的层数和厚度）来控制和增强GH位移。这种复杂性使得GH位移的控制和增强过程具有挑战性，限制了其实际应用。因此，实现足够大的GH位移并使其能够灵活控制尤为重要。

低对称性晶体为控制光的传播、偏振和相位提供了强大的机会[17]、[18]、[19]、[20]。β-相Ga?O?（bGO）作为一种低对称性晶体，由于其在高击穿场[21]、光伏[22]、光学显示[23]和气体传感器[24]等领域的广泛应用而吸引了大量的研究和工业兴趣。最近的研究表明，在bGO的单斜晶系中可以观察到HShPs。这些极化子主要出现在中红外到远红外光谱范围内，这是由于材料介电响应中的剪切效应[25]。它们的介电常数张量具有高度频率依赖性的主要极化方向，且对角线项无法通过坐标旋转完全消除[26]、[27]，表现出类似于粘性流动的剪切特性[28]。这赋予了bGO独特的性质，例如传播方向随频率的连续变化、倾斜的波前和不对称的响应[25]。除了这些基本性质外，最近的研究还提供了关于HShPs的激发和传播机制的更全面见解[29]，以及它们与等离子体纳米结构中的热电子动力学的耦合以增强光学功能[30]，以及它们在纳米尺度光操控、超快光调制和高灵敏度传感方面的潜力[31]。这些发展进一步突显了HShPs在先进光子器件应用中的多功能性。这些性质为bGO直接控制GH位移提供了新的自由度。

在本文中，我们基于bGO的Otto配置理论研究了GH位移现象。我们的研究表明，当入射光为TM偏振光时，HShPs可以在中红外光谱中引起显著的GH位移。反射中的这种显著GH位移是由于HShPs激发导致两种介质界面处的局部相位变化所致。GH位移的大小和符号会随着设备的旋转和空气层厚度而变化。通过选择适当的空气层厚度和入射角度，可以在入射角附近实现高达$2000\lambda$的GH位移。利用这种可调的GH位移，我们设计了一种各向异性折射率传感器，为潜在的工业应用提供了理论指导。此外，我们的结果表明，基于棱镜耦合的可调GH位移方法在生物传感、光束对准和光学检测方面具有显著的应用潜力。

模型和方法

图1展示了所提出的Otto配置，其中选择高电阻硅作为棱镜，并在硅棱镜和bGO之间插入了厚度为$d_{\mathrm{gap}}$的空气间隙。选择TM偏振光来激发HShPs，光束以$\theta$的角度从棱镜照射到半无限大的bGO板上。光束从棱镜和空气间隙的界面反射，根据几何光学原理产生横向位移D。坐标系如下所示

结果与讨论

棱镜由高电阻硅制成，其介电常数为${\epsilon }_1=11.56$。bGO（010）方向的介电常数已通过实验确定[25]。旋转角度固定为$\phi =0°$。棱镜和bGO层之间的间隙厚度固定为$d_{\mathrm{gap}}=1\mu m$。通常，介电常数${\epsilon }_1$和间隙$d_{\mathrm{gap}}$可以根据空气间隙中的衰减常数来选择。这里使用的${\epsilon }_1$和$d_{\mathrm{gap}}$值是最优的，有助于进一步的研究

结论

本研究从理论上证明了由HShPs引起的bGO中的GH位移现象。结果表明，通过调整空气间隙厚度和入射角度，可以在中红外范围内实现显著的GH位移。这种显著的GH位移可以用来设计高灵敏度的各向异性折射率传感器。此外，通过旋转设备，可以灵活控制GH位移的大小和方向，实现正负符号的变化。

资助

淮化大学科研项目（HHUY2023-15）。

CRediT作者贡献声明

刘志豪：数据整理、概念化。刘新武：可视化。王增：可视化。刘畅：形式分析。熊文晨：验证。卢阳：撰写——原始草稿、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢淮化大学科研项目对本研究的支持

披露

作者声明与本文无关的任何利益冲突。