在法向入射条件下实现Goos–Hänchen 位移的新路径——倾斜 TiO₂ 纳米光栅中的 Q-BIC 机制

论文信息：
Xu Ji, Bo Wang, Ruhao Pan, Haifang Yang, Fuli Zhang, Yuancheng Fan, Junjie Li, Observation of Goos–Hänchen Shift under Normal Incidence in Slanted TiO₂ Nanogratings, npj Nanophotonics 3, 12 (2026).

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s44310-026-00108-6

研究背景

在传统光学界面中， Goos–Hänchen 位移通常只在斜入射条件下才明显出现，而法向入射时由于对称性存在，横向能流为零，位移几乎不可观测。这种限制在一定程度上阻碍了其在片上光子器件中的应用，因为实际系统往往更希望在无需精确角度调节的情况下实现光束操控。近年来，超构表面与高 Q 共振的引入为增强 GH 位移提供了新思路，但仍然依赖入射角破缺对称性。于是，一个核心问题逐渐浮现：能否在法向入射条件下，通过结构本身打破对称性，从而诱导可观测的 GH 位移？

研究内容

首先从物理机制入手，提出通过倾斜纳米光栅打破平面镜面对称性，从而将原本的对称保护型BIC转化为准连续束缚态（Q-BIC）。这种结构扰动使透射相位对面内波矢产生强烈非对称依赖，进而在法向入射条件下形成横向能流，理论上即可产生GH位移。模拟结果显示，在共振波段附近，横向 Poynting分量显著增强，预示着位移效应的出现。

图1｜倾斜 TiO₂ 纳米光栅的仿真特性。(a) 不同倾斜角度下纳米光栅的透射光谱仿真结果。(b) 品质因数 Q 随倾斜角 θ 的变化关系。(c) 计算得到的坡印廷矢量 x 分量 。(d) 在 θ = 10° 时仿真的 Goos–Hänchen（GH）位移，并以波长 λ 归一化表示。(e) GH 位移与波长之间的关系。

进一步的全波仿真揭示了光束传播行为。即使入射光束中心波矢为零，有限光束仍包含非零横向分量，在 Q-BIC 共振附近会产生明显的光斑偏移，甚至出现正负符号可切换的位移特性，这意味着结构具备可调控的光束操控能力。

图2｜光束传播与 GH 位移的 FDTD 仿真。(a) 仿真配置示意图。(b)–(d) 当波长分别为780nm、781nm 和779.5nm 时的功率分布剖面。(e)–(g) 在距离 d = 8 μ m 处记录的功率分布，分别对应波长为780nm、781 nm 和 779.5 nm 的情况。

随后通过反应离子束刻蚀工艺实现高质量倾斜TiO₂纳米光栅的制备。工艺调控确保了侧壁平滑度与倾角一致性，为后续实验验证提供了结构基础，也证明这种三维结构并非仅停留在理论层面，而具备可实现性。

图3｜倾斜光栅的制备流程与侧壁形貌。(a) TiO₂ 倾斜光栅纳米结构的制备工艺流程示意图。(b) 反应离子束刻蚀（RIBE）加工示意图。(c)–(e) 在 CHF₃ 与 Ar 气体配比合适(c)、过高(d)以及过低(e)时制备得到的倾斜光栅的 SEM 图像。比例尺：400 nm。

结构表征显示，所制备的光栅能够稳定支持Q-BIC共振，并且共振位置随倾角变化而可调。这一特性直接体现了对称性破缺对模式泄露与Q 因子的调控作用，为实现法向入射GH 位移奠定了条件。

图4｜制备倾斜纳米结构的结构表征。(a) 采用反应离子束刻蚀（RIBE）制备的 TiO₂ 纳米光栅与 SiO₂ 二维阵列的形貌。(b) 通过 RIBE 制备的 TiO₂ 光栅在不同倾斜角（0°、5°、10°）下的形貌对比。比例尺： (a) 400 nm；(b–d) 350 nm。

在角分辨反射谱中，可以观察到当结构倾斜后，原本在法向入射处消失的对称保护模式转化为可观测共振峰，这一现象正是BIC向Q-BIC演化的直接证据。共振带宽随倾角增大而展宽，与辐射泄露增强的理论预期一致。

图5｜制备光栅的角分辨反射光谱。(a)–(c) 分别为倾斜角 0°、5° 和 10° 的 TiO₂ 光栅样品的实验测得角分辨反射光谱。(d)–(f) 对应 TiO₂ 样品在法向入射条件下的反射光谱。

在最终通过光场探测系统完成直接实验测量。在共振波长附近，透射光斑相较于平面薄膜出现约5μm的横向偏移，而在远离共振波段时位移消失，明确验证了法向入射GH位移的存在，并与理论预测保持一致。

图6｜实验装置及法向入射 GH 位移的观测。(a) 实验装置示意图：BPF 为带通滤波片，LP 为线偏振片，O为物镜，CCD为相机。(b)(c) 未图案化 TiO₂ 薄膜在加入与不加入 780 nm 带通滤波片时的透射光斑图像。(d)(e) 未图案化 TiO₂ 薄膜与倾斜光栅在光路中加入中心波长为670nm的带通滤波片时的透射光斑图像。(f)(g) 在加入 780nm滤波片后，未图案化 TiO₂ 薄膜与倾斜光栅的透射光斑图像。比例尺：25 μm。

结论与展望

这项研究展示了一种突破传统光学限制的思路，即在法向入射条件下实现可观测的Goos–Hänchen位移。核心在于利用倾斜TiO₂ 纳米光栅打破结构镜面对称性，使原本受保护的BIC 模式转化为高Q的Q-BIC共振，从而在零面内波矢条件下诱导横向能流。理论分析表明，倾斜结构使透射相位对面内动量产生陡峭色散，成为法向GH 位移的根源。通过反应离子束刻蚀技术成功制备高质量纳米光栅，实现了可控倾角与良好结构均匀性，并在角分辨光谱中验证了Q-BIC 共振的存在。进一步实验测量显示，在共振波段附近透射光束产生微米量级横向偏移，而在非共振条件下该效应消失，证明位移具有明显的频率选择性。相比传统依赖斜入射的GH 机制，该方法无需角度调节，具有更高的集成潜力，为片上光束操控、光学开关及传感等紧凑型光子器件提供了新的设计路径。