基于驻波模式的Goos–H?nchen位移拓扑区域

《Physica B: Condensed Matter》：Standing wave pattern based topological regions of Goos–H?nchen shift

　　

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  开发了一种理论框架，用于利用V型三级原子介质控制Goos–H?nchen（GH）位移。
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  通过密度矩阵方法推导出原子介质的有效介电常数，并分析了其光学响应。
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  研究了结构化光学系统中反射光和透射光的反射、透射以及空间GH位移。
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  利用驻波模式工程实现了可控制的正负GH位移区域。
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  揭示了结构化光场为操纵光传播和光束位移提供了额外的自由度。
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  所提出的方法在可调光子器件、光束转向和相干光控制系统中有潜在应用。

引言

电磁辐射及其与物质介质的相互作用在物理学和工程学中一直备受关注，因为它们在许多技术中具有重要意义。两种材料界面上发生的迷人光学现象之一是GH位移。这种现象指的是光束在两种介质的边界处反射或透射时发生的轻微侧向位移。具体而言，在全内反射过程中，反射光束并不遵循几何光学的预期路径，而是显示出侧向位移。这种侧向位移效应最早由Newton和Picht在理论上预测[1]，[2]，随后Goos和H?nchen通过实验确认了这一现象，他们测量了全内反射时出现的预期侧向位移[3]。近年来，由于激光束操纵和集成光学技术的迅速发展，GH位移的重要性逐渐提高[4]，这使其应用于各种实际场景，包括光波导开关[5]和超灵敏检测系统[6]、[7]。GH位移还与若干基本物理概念相关联，例如隧穿时间[8]、[9]，以及一系列技术应用。自从最初被发现以来，它一直受到广泛关注，并成为许多理论研究[10]、[11]、[12]和实验研究[13]的主题。

GH位移，即光束在界面处的侧向位移，在现代光学中不仅因其基本特性而受到关注，也因其技术应用而受到重视。这一现象已在多种光学平台上得到研究，如等离子体系统[14]、光-物质相互作用方案[15]、负折射率超材料[16]和金属反射配置[17]。除了在坐标空间观察到的常规GH位移外，在动量空间也观察到了角向GH位移。在空气-玻璃界面，角向光束位移已通过实验和理论研究得到验证[18]。GH位移效应最近也在新的二维光学系统中得到了研究，例如在外加电场和圆偏振激发场的基于硅的二维量子结构中[19]。

已经提出了几种理论和实验方法来改进GH位移。一维光子晶体、金属层以及介电光栅和石墨烯单层预计可以在混合光子结构中产生极高的侧向光束位移，其位移量可达入射辐射波长的数千倍[20]、[21]。同样，研究表明，在特定共振条件下，不同光栅层的组合可以产生接近8000的巨大GH折射率[22]。此外，理论研究指出，当光从涂有单层材料的介电界面反射时，可以实现量子化的GH位移[23]。进一步的研究集中在各种光学材料及其制造结构中的GH效应[24]、[25]、[26]、[27]。例如，Xiang等人报告了在石墨烯与介电棱镜的混合结构中GH位移的显著增强，其中共振隧穿是促进侧向位移的关键因素[28]。类似地，Shu等人展示了各向异性二维晶体平台可以实现正负GH位移的光束操控和光子控制[29]。此外，GH位移效应在高斯光束和艾里光束在狄拉克超材料环境中的传播情况下的理论描述也得到了扩展[30]。GH位移效应也是传感应用中的研究热点，亚波长双曲超材料结构被提议用于通过侧向光束位移效应进行气体传感[31]。人们对GH位移现象的兴趣日益增加，这归功于其在精密测量技术（如超灵敏角度检测和原子力显微镜（AFM）中的广泛应用。此外，理论研究还表明，声波和量子物质波也可能出现类似的现象。因此，未来在石墨烯启发型的层状超材料及相关纳米光子设备等新材料平台中对GH位移现象的研究可能会为基础科学和新应用的发展提供有趣的途径。

近年来，这一领域因其在调节光-物质相互作用方面的潜力而受到广泛关注。特别是，控制这些相互作用的能力被用于实现慢光和快光等现象[32]，这在光延迟线和量子存储设备等应用中非常有用。最近，人们投入了大量精力使用相干控制技术来控制和增强GH位移[33]，以应用于多种场景。

Wild和Giles从理论上研究了材料吸收对GH位移的影响[34]，他们证明非零消光系数可以显著改变反射光束的侧向位移。在吸收介质中，GH位移不必然局限于正值；在适当条件下，它可以是负值，并达到几个波长的量级。这种行为源于材料吸收对复杂反射系数的振幅和相位的修改，强调了吸收作为控制GH位移大小和方向的重要机制。

受之前工作的启发（其中一些已在文中提到），本文研究了通过控制场的透射和反射在三级V型原子介质中的GH位移。此外，这种位移可以通过这些场的参数进行高精度和控制方式的调节；有些位移是尖锐的，而有些则是圆型的。据我们所知，尚未有通过透射和反射光谱研究该模型中的GH位移的相关工作。这项工作将为高灵敏度光学传感、光学开关、精密计量学和先进纳米光子学等领域开辟新的应用途径。

部分片段

物理模型和实现的V型原子系统

在目前的热学研究中，三级V型介质被视为一种通用形式，而不局限于特定的原子物种或固态材料。状态$|a〉$、$|b〉$和$|c〉$代表了一种有效的V型配置，其中较低的状态$|a〉$分别与两个可光学访问的较高状态$|b〉$和$|c〉$通过控制场和探测场相干耦合。因此，目前的分析是用一般物理参数来表达的。

反射、透射和GH位移的空间分析

该研究探讨了反射和透射系数的空间定位，以及反射和透射光束的侧向Goos-H?nchen位移。在此分析中，这些量用归一化的横向坐标$x/\lambda$和$y/\lambda$来表示。它们的空间轮廓由无量纲的空间调制参数指数nx和ny以及选定的系统物理参数决定。侧向GH位移发生在

结论

我们利用控制场的透射和反射光谱研究了V型三级原子系统中的GH位移。将探测场和控制场分别施加到状态$|a〉$-$|b〉$和|a〉-|c〉，其中调谐量为Δc和Δp

CRediT作者贡献声明

Ashfaq Ud Din：撰写——原始草稿。Najm Ud Din：撰写——审阅与编辑，概念化。

资金声明

作者确认，本研究、作者身份和/或文章的发表没有获得任何外部财政支持。

未引用的参考文献

[48], [49]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

Ashfaq Ud Din|Najm Ud Din