利用 Tamm 等离激元在法向入射下实现增强的 Goos–Hänchen 位移

论文信息： S.-Y. Zhang, Y.-J. Ding, Z.-R. Geng, L.-T. Wu, T.-J. Guo, M. Kang, and J. Chen, Enhanced Goos–Hänchen shift at normal incidence using Tamm plasmon polaritons, J. Phys. D: Appl. Phys. 59 (2026) 175102.

论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae6126.

研究背景

Goos–Hänchen 位移是光束在界面反射时沿界面方向产生的微小横向偏移，通常出现在斜入射和全反射条件下。更特殊的是，在磁光材料打破电磁互易性后，即使光束正入射到界面，也可能出现非互易 GH 位移。然而，这种效应通常极弱，往往只有波长的万分之一量级，实验观测和器件利用都很困难。要把这一微小效应放大，关键在于增强磁光介质内部的局域电磁场和横向能流。Tamm 等离激元提供了一种很有吸引力的方案：它可以在磁光层与一维分布式布拉格反射镜之间形成局域界面态，并且能够在正入射下直接激发，不需要棱镜或光栅耦合。因此，这项工作试图用简单的平面多层结构，把原本难以观测的正入射非互易 GH 位移增强到更可用的尺度。

研究内容

这项工作研究的是一种由磁光层和分布式布拉格反射镜组成的平面多层结构。结构的核心思想并不复杂：磁光材料负责提供非互易性，布拉格反射镜负责构造光子带隙，而两者之间的界面可以支持 Tamm plasmon polaritons，即 Tamm 等离激元。与传统表面等离激元不同，Tamm 等离激元可以在正入射条件下被激发，不需要额外的相位匹配结构，这使得整个体系保持平面化和紧凑化。

图 1. （a）所研究结构的示意图。（b）至（d）分别为（b）仅含 DBR 结构、（c）仅含磁光（MO）层以及（d）MO-DBR 复合结构的透射光谱。需要注意的是，（c）中的色标范围远小于（b），表明（c）中的透射率几乎为零。在（d）中，可以在 DBR 带隙内部观测到透射峰，对应于 Tamm 等离激元（TPPs）。

文章首先分析了单独磁光层、单独 DBR 以及磁光层-DBR 复合结构的透射谱和反射谱。单独磁光层几乎不透光，但当它与 DBR 结合后，在 DBR 光子带隙内部会出现窄的透射窗口，这正是 Tamm 等离激元被激发的标志。也就是说，原本不利于光传播的磁光层，在 Tamm 共振辅助下可以出现类似“共振隧穿”的增强效应，从而显著提高磁光层附近的局域场强。

图 2. （a）正向与反向入射条件下法向入射的透射/反射光谱，以及（b）吸收光谱。插图给出了正向与反向入射的示意图。

图 3. （a）反射 Goos–Hänchen 位移 D r 与（b）透射 Goos–Hänchen 位移 D t 。插图（a）展示了正向入射情况下的 D r 以及来自体磁光介质的 Goos–Hänchen 位移。

图 4. 在 ω T P P 处，磁光（MO）层周围的磁场幅值 分布：（a）对应 TPP 共振的正向入射，（b）对应反向入射。场强以入射磁场 归一化。插图为整个结构中的场分布情况。

接着，文章重点计算了正入射条件下的反射型和透射型 GH 位移。结果显示，在反向入射时，Tamm 等离激元导致反射系数相位发生剧烈变化，使反射 GH 位移达到约 0.0105λ，而普通体磁光界面的 GH 位移只有约 3.2 × 10⁻⁴λ，增强约 33 倍。透射型 GH 位移也被增强到约 2.8 × 10⁻³λ，约为体磁光情形的 9 倍。其物理机制可以归结为两个因素：一是 Tamm 共振增强了磁光层中的局域场；二是反向入射时磁光层两侧的倏逝场分布高度不对称，从而减少了相反方向 GH 位移的相互抵消。

图 5. 磁光（MO）层中横向能流 S y 的分布：蓝色曲线对应正向入射，红色曲线对应反向入射。为便于显示，蓝色曲线放大了 10 倍。

图 6. （a）、（b）采用 PT 对称 DBR 时的反射与透射光谱，以及（c）、（d）对应的 Goos–Hänchen 位移。在（a）、（c）中 δ = 0.01 在（b）、（d）中 δ = − 0.01 插图给出了在反向入射条件下、当 ω = ω T P P 时归一化 H z 的分布。

最后，文章进一步引入 PT 对称 DBR，考察非厄米增益/损耗调制对 GH 位移的影响。结果表明，在合适的 PT 调制参数下，反射 GH 位移可以进一步增大到约 0.015λ，相对于体磁光界面增强约 46.9 倍。不过文章也指出，精确实现 PT 对称结构在实验上并不容易，因此 PT 对称更适合作为一种辅助增强机制，而不是实现该效应的必要条件。除此之外，文章还讨论了磁光层厚度、DBR 周期数和外加磁场强度等参数对 GH 位移的调控作用，为后续器件设计提供了参考。

图 7. 在法向入射条件下，反射 Goos–Hänchen 位移 D r 及其对应的 ω T P P 随（a）磁光（MO）层厚度 d m 和（b）分布布拉格反射镜（DBR）周期数 N NN 的变化关系。

图 8. 在不同 ω B 取值下，法向入射时反射 Goos–Hänchen 位移 D r 的变化关系。

结论与展望

这篇论文提出了一种利用 Tamm 等离激元增强正入射非互易 Goos–Hänchen 位移的方法。传统 GH 位移通常依赖斜入射和全反射，而正入射 GH 位移需要借助磁光效应打破界面法线方向上的电磁互易性，但其幅度通常极小，难以实际利用。本文通过构建“磁光层 + 分布式布拉格反射镜”的平面多层结构，在两者界面激发 Tamm 等离激元，使电磁场在磁光层附近强烈局域，从而增强横向能流和反射相位对入射角的敏感性。计算结果表明，在 Tamm 共振频率附近，反射型 GH 位移可达到 0.0105λ，相比普通体磁光界面增强约33倍；透射型 GH 位移也可增强约 9 倍。进一步引入 PT 对称 DBR 后，增强倍数可提高到约 46.9 倍。该方案的优势在于不依赖复杂二维或三维纳米图案，而采用相对简单的平面多层结构，便于集成和加工。总体来看，这项工作为正入射条件下的非互易光束偏移调控提供了一条紧凑路径，在片上隔离器、光开关、传感器和微纳光学调控器件中具有潜在应用价值。

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