第14卷第6期 太赫兹科学与电子信息学报 Vo1.14.No.6 2016年12月 Journal of Terahertz Seience and Electronie Information Technology Dee.,2016 文章编号：2095-4980(2016)06-0853-07 古斯汉欣位移研究进展 减梦迪be,王婷婷6，张波，沈京玲a (首都师范大学a北京市太赫兹波诺与成像重点实验室： b.太林慈光电子学教育部重点实验：c物理系，北京100048) 摘要：本文通过K,Artmann的稳定位相理论对古斯汉成(Goos-Hanchen,GH位移进行了定 性解释和定量分析：总结了国内外相关研究工作。介绍了GH位移在金属界面、介质光栅结构、多 层金属包络结构、光子品体材料、手性材料等界面理论研究和实验测量结果：综述了GH位移在不 同波段特别是太赫装液段的研究成果：GH位移的测量方法有直接测量和千涉测量2种，本文对此 做了总结和解释：最后，以温度传感和浓度传感方面的研完结果为例介绍了CH位移的应用。 关键词：吉斯汉欣位移；稳定相位法：反射界百；太赫兹流：传感应用 中图分类号：TN25:043 文献标志码：A doi:10.11805/TKYDA2201606.085 Research progress of Goos-Hanchen shift ZANG Mengdi WANG Tingting ZHANG Bo SHEN Jingling" (a.Beijing Key Labon Abstract:Goos-Hanchen(GH)shift is a kind of abnormal optical phenomenon.When a beam of light is ineident to a different refractive index medium surface,the light total internal reflection oceurs at the planar interface.The points of ineidence and reflection are not at the same place,or there exists a tiny lateral shift for reflected light.This phenomenon is called as CH shift.In this paper.a qualitative explanation and quantitative analysis for GH shift according to k.Artmann's stationary phase theory is presented.Related work including theoretical research results and experimental observations of gH shift on metallie interface,dielectrie grating structure,metal-cladding structure,photonic crystal materials chiral malerials have been summarized.The GH shift research at different eleetromagnetie frequency bands especially in terahertz band is introduced.The two kinds of methods for measuring CH shift:direet nent and interference measurement have been introduced.Finally,Iwo examples of temperature sensing and concentration sensing are introduced to demonstrate the applications of GH shift Keywords:Goos-Hanchen shift:stationary phase method;reflecting interface:terahertz wave:sensing applications 古断汉欣(GHD位移于1947年被Goos和Hanchen首次发现川。它是指光束在2种界面上发生全反射时，反射 点相对干入射点在相位十有一个突变，反射光相对于入射光在空间上有一段距离，这段距离被称为古斯汉欣位移 在不同界面不同偏振情况下产生的GH位移可以分为正向位移和负向位移。GH位移的机理可以解释为：入射光 入射到界面分解为一系列沿不同方向的平面波，这些平面波在反射时具有不同的相变，反射平面波的叠加就得到 反射光束的GH位移结果 般古斯汉欣位移的位移量较小，波长越长位移越明显 自发理以来古斯汉欣位移 起了学者们的 特别是随若超品格来子品体 超材料等界面的出现以及太赫波科学技术的发展 对GH位移进行研究，并提出了不同测量方法和应用。本文将从GH位移的 理论解释、研究进展、测量方法及实际应用4个方面进行总结介绍】 改璃日期：2016-01-25：修回日期：2016-04-24 基金项日：国家重大科学仪器专项资助项目（ 作考.日(4144069)：北京市教委科技发展升月0，日国家日益件学基金资助项自(610512：北京市白然科学基 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
第 14 卷 第 6 期 太赫兹科学与电子信息学报 Vo1．14，No．6 2016 年 12 月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Dec．，2016 文章编号：2095-4980(2016)06-0853-07 古斯汉欣位移研究进展 臧梦迪 a,b,c，王婷婷 a,b,c，张 波 a,b,c，沈京玲 a,b,c∗ (首都师范大学 a.北京市太赫兹波谱与成像重点实验室； b.太赫兹光电子学教育部重点实验室；c.物理系，北京 100048) 摘 要：本文通过 K. Artmann 的稳定位相理论对古斯汉欣(Goos-Hänchen，GH)位移进行了定 性解释和定量分析；总结了国内外相关研究工作，介绍了 GH 位移在金属界面、介质光栅结构、多 层金属包络结构、光子晶体材料、手性材料等界面理论研究和实验测量结果；综述了 GH 位移在不 同波段特别是太赫兹波段的研究成果；GH 位移的测量方法有直接测量和干涉测量 2 种，本文对此 做了总结和解释；最后，以温度传感和浓度传感方面的研究结果为例介绍了 GH 位移的应用。 关键词：古斯汉欣位移；稳定相位法；反射界面；太赫兹波；传感应用 中图分类号：TN25；O431 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA201606.0853 Research progress of Goos-Hänchen shift ZANG Mengdia,b,c，WANG Tingtinga,b,c，ZHANG Boa,b,c，SHEN Jinglinga,b,c (a.Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging；b. Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Eeducation； c.Physics Department，Capital Normal University，Beijing 100048，China) Abstract：Goos-Hänchen(GH) shift is a kind of abnormal optical phenomenon. When a beam of light is incident to a different refractive index medium surface, the light total internal reflection occurs at the planar interface. The points of incidence and reflection are not at the same place, or there exists a tiny lateral shift for reflected light. This phenomenon is called as GH shift. In this paper, a qualitative explanation and quantitative analysis for GH shift according to K. Artmann's stationary phase theory is presented. Related work including theoretical research results and experimental observations of GH shift on metallic interface, dielectric grating structure, metal-cladding structure, photonic crystal materials, chiral materials have been summarized. The GH shift research at different electromagnetic frequency bands especially in terahertz band is introduced. The two kinds of methods for measuring GH shift：direct measurement and interference measurement have been introduced. Finally, two examples of temperature sensing and concentration sensing are introduced to demonstrate the applications of GH shift. Keywords：Goos-Hänchen shift；stationary phase method；reflecting interface；terahertz wave；sensing applications 古斯汉欣(GH)位移于 1947 年被 Goos 和 Hänchen 首次发现[1]。它是指光束在 2 种界面上发生全反射时，反射 点相对于入射点在相位上有一个突变，反射光相对于入射光在空间上有一段距离，这段距离被称为古斯汉欣位移。 在不同界面不同偏振情况下产生的 GH 位移可以分为正向位移和负向位移。GH 位移的机理可以解释为：入射光 入射到界面分解为一系列沿不同方向的平面波，这些平面波在反射时具有不同的相变，反射平面波的叠加就得到 反射光束的 GH 位移结果。一般古斯汉欣位移的位移量较小，波长越长位移越明显。自发现以来古斯汉欣位移引 起了学者们的广泛关注，特别是随着超晶格、光子晶体、超材料等界面的出现以及太赫兹波科学技术的发展，人 们在各个电磁波波段和不同反射界面对 GH 位移进行研究，并提出了不同测量方法和应用。本文将从 GH 位移的 理论解释、研究进展、测量方法及实际应用 4 个方面进行总结介绍。 收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-04-24 基金项目：国家重大科学仪器专项资助项目(2012YQ140005)；军口 863 资助项目；国家自然科学基金资助项目(61505125)；北京市自然科学基金 资助项目(4144069)；北京市教委科技发展计划项目(KM201410028004) *通信作者：沈京玲 email:sjl-phy@cnu.edu.cn
854 太赫兹科学与电子信息学报 第14卷 1GH位移的定性解释和定量计算 从理论上，GH位移可以被解释为：实际的人射光都不是理想的单色平面波，而是具有一定的空间谱宽，也 就是说对于实际的光线，虽然它们指向同一个入射点，但入射角具有一角宽度△日。通过把人射光分解成一系列 单色平面波，每个平面波分量都具有与其他分量略有不同的波矢的切向分量。那么在全反射过程中，每个平面波 分量都会产生与其他分量稍有不同的相移，这些反射的平面波分量再合成以后，就组成了实际的反射光束。反射 光束强度的最大值与入射光强度的最大值之间会有一段横向偏移，这就是GH位移，GH位移可以利用K.Artmann 提出的稳定相位法)，RH.Renard提出的能流方法-，M.McGuirk提出的角谱表征法)，T.Tamir提出的高斯 光束下的数值法来定量计算，其中最为常用的是稳定位相法计算古斯汉欣位移。K.Artmann通过对GH位移进 行物理上的解释给出了其位移的求解方法，并给出了位移量的表达式，如式()所示： S=-I do 式中：人是人射光波矢：是反射光与人射光之同的相移或者称为反射率的相位因：表示人射角 2近年来GH位移研究进展 2.1不同界面的GH位移研究 GH位移自发现以来就被广泛关注并进行深入研究。对GH位移的研究涉及全反射界面、简单界面、多层 界面、光子品体，左手手性材料界面等。GH位移的研究首先是在全反射界面上被发现的。1947年，Goos和Hanchen 首次证实了GH位移的存在山。在简单界面GH位移的研究工作从理论到实验，都有涉及。2007年，M.Merane0 等记录并观察了一束光入射到裸露金属表面后产生的GH位移围，他们发现在金属面上的P偏振光产生的GH位 移是负位移，并且远大于s偏振光产生的正GH位移。测量得到的位移作为人射角的函数，发现实验结果与理论 预言相符合。2009年，M.Merano等再次在一个粗糙的金属镜表面记录了不同偏振下的GH位移。理论模拟和 实验吻合度很好，发现在不同界面的G位移在一些小一点的角度，位移量也可以被提高而不仅仅是只在掠入射 角度人射时才有GH位移。20I3年，D.Ranganathan小组用633nm的可见光并采用干涉的方法实验测得了在金 属铝表面产生的GH位移并提出了一种间接测量GH位移的方法，该方法简单方便。 此后，GH位移的研究工作在有结构的界面也有相关研究。2001年，C.Bonnet等研究发现在近伍德相变附 近，在一个介质光栅表面观测到正向和负向的GH位移，观测到GH位移大约是波长的10倍川，2014年，LI Jingjing 等研究发现，在金属介质光栅结构上通过导模共振会产生巨大的正向和负向GH位移。模拟计算结果表明，当 与介质光儒发生导模共振时，会产生位移量是光波长5000多倍的GH位移，还发现基于介质光栅结构的设计在 理想情况下可避免欧姆损耗。 对于G州位移的研究不仅仅停留在对光栅结构的研究上，人们逐步开始设计更为复杂的结构，为了得到更大 的GH位移。2014年侯军勇等研究了含有损耗的双负介质导波层的棱镜波导耦合系统中的GH位移增强效应 通过仿直分析，研究了介电常数、包层和导波层的厚度对GH位移的影响。结果表明，利用双负介质做棱镜波导 系统的导波层可以有效克服材料自身带来的损耗，实现较大的GH位移。2015年，LUO Li小组研究模拟了在兰 外波段的棱镜-波导耦合系统结构上GH位移随温度的变化关系 。相应的热光GH位移效应表明在不同的导波 模式下GH位移和温度呈不同的线性关系，基于温度对GH位移的影响，可以设计 ·种温度传置 为得到更大的GH位移，更方便地测得GH位移 逐渐开始研究在多层结构上的GH位移。2008年曹庄琪给 出了共振激发下GH位移增强必须满足的条件，并利用波长860nm的半导体激光在实验上测量到最大为0.9mm 的正向位移和0.2mm的负向位移9.2014年 M.ANG等任 个金属包络结构上实现了1.5mm的GH位移 入射光的光波长为859nm 。可见，利用金属包结构得到了 个比较大的GH位移。 随着对光子品体突的步深入位移的究作新开始及光子晶材料 。2010年V.V 光子品体结构上通过表面波诱导使得G位移得到增强' 使用波长为532nm的激光 维光子品体结构上的表面电磁被薇发，可以获得位移量是波长30倍的GH位移，并且 一维光子品体 一长的多层 质的，GH应移量为16μm。2012 Soboleve号研究光 子晶体表面的GH ,利用远程显微镜就能视测到GH位移，通过角度光语仪可以测里到光 品体表面的GH位移 最大位移量达到66μm 随着手性材料研究的发展，人们逐渐在左手材料上发现了GH位移2.2008年王成等设计了一种左手材料 1002018Ci ou nal Eleetronie Publishing House.All rights www.cnki.ne
854 太赫兹科学与电子信息学报 第 14 卷 1 GH 位移的定性解释和定量计算 从理论上，GH 位移可以被解释为：实际的入射光都不是理想的单色平面波，而是具有一定的空间谱宽，也 就是说对于实际的光线，虽然它们指向同一个入射点，但入射角具有一角宽度 Δθ。通过把入射光分解成一系列 单色平面波，每个平面波分量都具有与其他分量略有不同的波矢的切向分量。那么在全反射过程中，每个平面波 分量都会产生与其他分量稍有不同的相移，这些反射的平面波分量再合成以后，就组成了实际的反射光束。反射 光束强度的最大值与入射光强度的最大值之间会有一段横向偏移，这就是 GH 位移。GH 位移可以利用 K. Artmann 提出的稳定相位法[2]，R. H. Renard 提出的能流方法[3-4]，M. McGuirk 提出的角谱表征法[5]，T. Tamir 提出的高斯 光束下的数值法[6]来定量计算，其中最为常用的是稳定位相法计算古斯汉欣位移。K. Artmann 通过对 GH 位移进 行物理上的解释给出了其位移的求解方法，并给出了位移量的表达式，如式(1)所示： 1 d d φ S k θ = − (1) 式中：k 是入射光波矢；ϕ是反射光与入射光之间的相移或者称为反射率的相位因子；θ 表示入射角。 2 近年来 GH 位移研究进展 2.1 不同界面的 GH 位移研究 GH 位移自发现以来就被广泛关注并进行深入研究[7]。对 GH 位移的研究涉及全反射界面、简单界面、多层 界面、光子晶体、左手手性材料界面等。GH 位移的研究首先是在全反射界面上被发现的。1947 年，Goos 和 Hänchen 首次证实了 GH 位移的存在[1]。在简单界面 GH 位移的研究工作从理论到实验，都有涉及。2007 年，M. Merano 等记录并观察了一束光入射到裸露金属表面后产生的 GH 位移[8]，他们发现在金属面上的 p 偏振光产生的 GH 位 移是负位移，并且远大于 s 偏振光产生的正 GH 位移。测量得到的位移作为入射角的函数，发现实验结果与理论 预言相符合。2009 年，M. Merano 等再次在一个粗糙的金属镜表面记录了不同偏振下的 GH 位移[9]。理论模拟和 实验吻合度很好，发现在不同界面的 GH 位移在一些小一点的角度，位移量也可以被提高而不仅仅是只在掠入射 角度入射时才有 GH 位移。2013 年，D. Ranganathan 小组用 633 nm 的可见光并采用干涉的方法实验测得了在金 属铝表面产生的 GH 位移并提出了一种间接测量 GH 位移的方法[10]，该方法简单方便。 此后，GH 位移的研究工作在有结构的界面也有相关研究。2001 年，C. Bonnet 等研究发现在近伍德相变附 近，在一个介质光栅表面观测到正向和负向的 GH 位移，观测到 GH 位移大约是波长的 10 倍[11]。2014 年，LI Jingjing 等研究发现，在金属介质光栅结构上通过导模共振会产生巨大的正向和负向 GH 位移[12]。模拟计算结果表明，当 与介质光栅发生导模共振时，会产生位移量是光波长 5 000 多倍的 GH 位移，还发现基于介质光栅结构的设计在 理想情况下可避免欧姆损耗。 对于 GH 位移的研究不仅仅停留在对光栅结构的研究上，人们逐步开始设计更为复杂的结构，为了得到更大 的 GH 位移。2014 年侯军勇等研究了含有损耗的双负介质导波层的棱镜波导耦合系统中的 GH 位移增强效应[13]。 通过仿真分析，研究了介电常数、包层和导波层的厚度对 GH 位移的影响。结果表明，利用双负介质做棱镜波导 系统的导波层可以有效克服材料自身带来的损耗，实现较大的 GH 位移。2015 年，LUO Li 小组研究模拟了在红 外波段的棱镜-波导耦合系统结构上 GH 位移随温度的变化关系[14]。相应的热光 GH 位移效应表明在不同的导波 模式下 GH 位移和温度呈不同的线性关系，基于温度对 GH 位移的影响，可以设计一种温度传感装置。 为得到更大的 GH 位移，更方便地测得 GH 位移，逐渐开始研究在多层结构上的 GH 位移。2008 年曹庄琪给 出了共振激发下 GH 位移增强必须满足的条件，并利用波长 860 nm 的半导体激光在实验上测量到最大为 0.9 mm 的正向位移和 0.2 mm 的负向位移[15]。2014 年，M. TANG 等在一个金属包络结构上实现了 1.5 mm 的 GH 位移， 入射光的光波长为 859 nm[16]。可见，利用金属包络结构得到了一个比较大的 GH 位移。 随着对光子晶体研究的逐步深入，GH 位移的研究工作逐渐开始涉及光子晶体材料[17]。2010 年 V. V. Moskalenko 等在一维光子晶体结构上通过表面波诱导使得 GH 位移得到增强[18]。使用波长为 532 nm 的激光入射， 通过一维光子晶体结构上的表面电磁波激发，可以获得位移量是波长 30 倍的 GH 位移，并且当一维光子晶体结 构为 12 个四分之一波长的多层介质时，GH 位移量为 16 μm。2012 年 Soboleve 等研究了光子晶体表面的 GH 位 移，由于布洛赫表面电磁波的激发加强，利用远程显微镜就能观测到 GH 位移，通过角度光谱仪可以测量到光子 晶体表面的 GH 位移，最大位移量达到 66 μm[19]。 随着手性材料研究的发展，人们逐渐在左手材料上发现了 GH 位移[20]。2008 年王成等设计了一种左手材料
第6期 臧梦迪等：古斯汉欣位移研究进展 855 复合双棱镜，研究了发生在其内部界面上的GH位移在透射共振点透射波的GH位移达到极大值，且极大值可达 入射波波长的数十倍：发现人射角和光轴与界面的角度对透射波的GH位移有很大影响2。此后在2015年，方 振华等人发现在左手手性材料上可以产生负GH位移。当人射光颜率和银杏枝手性材料谐振颍率一致时，产生 负的GH位移。当入射光与其谐振類率不一致时，产生正的GH位移。并且在GH位移为负时，随着角度从41 到50°变化过程中，GH位移的位移量在减小。 2.2太赫兹波段的GH位移研究 根据稳定位相法，正常情况下GH位移的位移量是和光波被长成正比。在之前的研究中，对GH位移的所究 在不同波段均有涉及，比如可见光波段 随着太赫兹(THz)波段的电磁现象被 泛研究，GH位移的研究也开始涉及该波段。由于THz波是位于微波和红外之间的电磁波，其波长较可见光长2 3个数量级，G1 立移更容易观测到。但由 Tz源和探测器的发展水平远不如 的GH位移的研究还 理论多于实验。目前比较成功的 直接测量THz波段GH位移的实验就是2013年本 题组李庆梅等人的工 利用环烯烃共聚物(Cyclo-Olefin Copolymer,COC)制成直角棱镜 COC和 气界面的全反射进行模拟 ,并利用返被管(Backward-Wave Osc BW0)产生的0.206T连续TH 源的GH位移进行实验测量。测量得到THz波在COC-ar界面处的全反射GH位移，在空气层厚变化过程中不 同偏振的THz波GH位移量的改变，如图所示。 以 ess'mo 2014年L Jiusheng等研究了THz波在棱镜石墨烯结构上产生的巨大GH位移。利用静态位相理论，对棱 下的GH位移进行 莫拟结果显示得到的 是原本在T2波段 GH A 了模拟。 0多倍 图 位移的大 下信的TH 波入时时角度从L84变化到1925时不同电压下的GH位移 从模拟结果看到 10 加电后 到 最大的GH位移大约为不加电压时得到的GH位移的25 2015年该团队 一个棱铬一全属一聚 GH位移 化。模拟 入射角度变化时， 度增加而减小。 250 15418618 F2Smc电位尚角化的G位移量 der different voltage 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第6期 臧梦迪等：古斯汉欣位移研究进展 855 复合双棱镜，研究了发生在其内部界面上的 GH 位移在透射共振点透射波的 GH 位移达到极大值，且极大值可达 入射波波长的数十倍；发现入射角和光轴与界面的角度对透射波的 GH 位移有很大影响[21]。此后在 2015 年，方 振华等人发现在左手手性材料上可以产生负 GH 位移[22]。当入射光频率和银杏枝手性材料谐振频率一致时，产生 负的 GH 位移。当入射光与其谐振频率不一致时，产生正的 GH 位移。并且在 GH 位移为负时，随着角度从 41° 到 50°变化过程中，GH 位移的位移量在减小。 2.2 太赫兹波段的 GH 位移研究 根据稳定位相法，正常情况下 GH 位移的位移量是和光波波长成正比。在之前的研究中，对 GH 位移的研究 在不同波段均有涉及，比如可见光波段[23-24]、红外波段[25]、微波波段[26]。随着太赫兹(THz)波段的电磁现象被广 泛研究，GH 位移的研究也开始涉及该波段。由于 THz 波是位于微波和红外之间的电磁波，其波长较可见光长 2～ 3 个数量级，GH 位移更容易被观测到。但由于 THz 源和探测器的发展水平远不如其他电磁波波段，在 THz 波段 的 GH 位移的研究还是理论多于实验。目前比较成功的一个直接测量 THz 波段 GH 位移的实验就是 2013 年本课 题组李庆梅等人的工作[27]，利用环烯烃共聚物(Cyclo-Olefin Copolymer，COC)制成直角棱镜，首先对 THz 波在 COC 和空气界面的全反射进行模拟，并利用返波管(Backward-Wave Oscillator，BWO)产生的 0.206 THz 连续 THz 源的 GH 位移进行实验测量。测量得到 THz 波在 COC-air 界面处的全反射 GH 位移，在空气层厚变化过程中不 同偏振的 THz 波 GH 位移量的改变，如图 1 所示。 2014 年 LI Jiusheng 等研究了 THz 波在棱镜石墨烯结构上产生的巨大 GH 位移[28]。利用静态位相理论，对棱 镜石墨烯结构上加电场作用下的 GH 位移进行了模拟。模拟结果显示得到的 GH 位移的大小是原本在 THz 波段 GH 位移的 200 多倍。图 2(a)所示是电控产生 GH 位移的结构图，图 2(b)是当频率为 1.5 THz 的 TE 偏振的 THz 波入射时，角度从 18.4°变化到 19.25°时不同电压下的 GH 位移。从模拟结果看到，在 18.949°时，加电后得到的 最大的 GH 位移大约为不加电压时得到的 GH 位移的 250 倍。2015 年，该团队在一个棱镜-金属-聚合物-金属多 层结构界面上模拟了对非线性聚合物加电压改变其折射率后，GH 位移的变化[29]。模拟了聚合物层厚度变化以及 入射角度变化时，GH 位移的变化情况。研究发现，在折射率为 n=1.59 和 n=1.62 时，GH 位移随着聚合物层的厚 度增加而减小。 THz wave (a) Al 0 1 2 3 4 air layer thickness/mm 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 TM wave TE wave (b) GH shift/mm Fig.1 (a) Structure diagram of experimental system; (b) GH shift of s and p polarization with the change of air layer thickness 图 1 (a) 实验构型图；(b) s 和 p 偏振下随空气层厚变化的 GH 位移 18.4 -150 -50 50 150 250 18.6 18.8 19.0 19.2 μe=0 μe=20 meV μe=40 meV μe=60 meV μe=80 meV θ/(°) (b) TE polarization GH shift(S/λ THz wave input ) fixed detector s θ silicon prism graphene SiO2 Si + - d2 d3 (a) Fig.2 (a) Structure diagram of the interface under electric control; (b) GH shift as a function of angle under different voltages 图 2 (a) 电控 GH 位移结构图；(b) 不同电压下随角度变化的 GH 位移量
856 太赫兹科学与电子信息学报 第14卷 3GH位移的测量 3.1直接测量GH位移 直接测量GH位移就是利用探测器直接测量界面处反射光出现的移动量，这是一种很常规的探测方法，利用 直接法测量GH位移的研究有很多。例如在2007年，M.Merano等测量到金属面上的GH位移，利用象限探测器 接收信号，再通过锁相放大器探测反射光的移动情况，直接测量GH位移。20I1年，WAN Yuhang小组利用电 荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)相机直接探测反射光的位置变化，得到GH位移。通过调整光子晶体 包络结构的折射率，发现布洛赫表面波能够引起亚毫米量级的位移，并且最大的位移量可以达到波长的750倍 2013年，LI Qingmei在Tz波段COC-air界面处利用热释电探测器直接探测界面反射光的移动，从而直接测得 GH位移。 3.2干莎法测GH位移 接的方法覆测GH位移。最为有效的》 改变2束 通过条纹移动 反算出G位移的位移 2013年.D.R ahn等利用在样品表面 位移量不同，得到具有光程差的反射光】 式后 3样装和的移量不 的偏振光变为同偏振后 进行干涉.观测干涉条纹的移动情 反射光出现光程差 况，从而得到GH位移的变化量，如图3所示0.2015年， 方指作等在量银杏左毛材料的G位移时，采 用了涉方法训最GH位移22] 这2束偏振光在银杏枝左手材料上的G日位移不同，2束反射光的光 2015年木课题组研究了太赫兹波段GH位移在金属铝介质表面随温度变化的关系，实验测量发现GH位移的 变化量随温度的变化关系基本成线性关系，当温度变化78℃，达到101℃时.GH位移的变化量可以达到267.2 研究GH位移随温度变化关系时，本课题组采用干涉测量的方法测量GH位移。如图4所示，反射光产生GH位 移，随着温度的变化GH位移量不断变化，光程差不断变化，干涉条纹发生移动。通过戏测条纹移动情况，推算 出GH位移量的变化 血实程茶：位移时反射度的关系 of the reflection 4GH位移的应用研究 GH位移具有广泛的应用价值。基于GH位移的传感器有较高的精确度和灵敏度。近年来，GH位移在位置 传感、温度传感和浓度传感器等方面都有相关应用研究。2012年，胡红武利用光束在对称双面金属包覆波导表 面反射时GH位移具有极大的增强效应，提出一种灵敏度极高的新型位移传感器，可以观测微小位移的变化，在 实验上实现8pm的微小位移传感。利用光电探测器直接探测在双面金属包络结构上产生的GH位移，此位移 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enkine
856 太赫兹科学与电子信息学报 第 14 卷 3 GH 位移的测量 3.1 直接测量 GH 位移 直接测量 GH 位移就是利用探测器直接测量界面处反射光出现的移动量，这是一种很常规的探测方法，利用 直接法测量 GH 位移的研究有很多。例如在 2007 年，M. Merano 等测量到金属面上的 GH 位移，利用象限探测器 接收信号，再通过锁相放大器探测反射光的移动情况，直接测量 GH 位移[30]。2011 年，WAN Yuhang 小组利用电 荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)相机直接探测反射光的位置变化，得到 GH 位移。通过调整光子晶体 包络结构的折射率，发现布洛赫表面波能够引起亚毫米量级的位移，并且最大的位移量可以达到波长的 750 倍[31]。 2013 年，LI Qingmei 在 THz 波段 COC-air 界面处利用热释电探测器直接探测界面反射光的移动，从而直接测得 GH 位移[27]。 3.2 干涉法测 GH 位移 由于 GH 位移量一般是波长数量级，很多情况下利用探测器 较难直接测得 GH 位移及其变化。因此近年提出并实践了使用间 接的方法观测 GH 位移。最为有效的方法就是干涉法，其基本原 理是，由于 GH 位移改变了光束的光程进而改变 2 束光的光程差， 导致干涉条纹的变化，通过条纹移动反算出 GH 位移的位移量。 2013 年，D. Ranganathan 等利用在样品表面 s 和 p 偏振的 GH 位移量不同，得到具有光程差的反射光，利用偏振片将 2 个不同 偏振的偏振光变为同偏振后，进行干涉，观测干涉条纹的移动情 况，从而得到 GH 位移的变化量，如图 3 所示[10]。2015 年，方振华等在测量银杏枝左手材料的 GH 位移时，采 用了干涉方法测量 GH 位移[22]。根据 s 和 p 这 2 束偏振光在银杏枝左手材料上的 GH 位移不同，2 束反射光的光 程差发生变化，观测干涉条纹的移动情况。 2015 年本课题组研究了太赫兹波段 GH 位移在金属铝介质表面随温度变化的关系，实验测量发现 GH 位移的 变化量随温度的变化关系基本成线性关系，当温度变化 78 °C，达到 101 °C 时，GH 位移的变化量可以达到 267.2 μm。 研究 GH 位移随温度变化关系时，本课题组采用干涉测量的方法测量 GH 位移。如图 4 所示，反射光产生 GH 位 移，随着温度的变化 GH 位移量不断变化，光程差不断变化，干涉条纹发生移动。通过观测条纹移动情况，推算 出 GH 位移量的变化[32]。 4 GH 位移的应用研究 GH 位移具有广泛的应用价值。基于 GH 位移的传感器有较高的精确度和灵敏度。近年来，GH 位移在位置 传感、温度传感和浓度传感器等方面都有相关应用研究。2012 年，胡红武利用光束在对称双面金属包覆波导表 面反射时 GH 位移具有极大的增强效应, 提出一种灵敏度极高的新型位移传感器，可以观测微小位移的变化，在 实验上实现 8 pm 的微小位移传感[33]。利用光电探测器直接探测在双面金属包络结构上产生的 GH 位移，此位移 Fig.3 Different displacements of GH shift at sample surface under s and p polarizations 图 3 样品表面 s 和 p 偏振的 GH 位移量不同， 反射光出现光程差 p p s C B1 A B2 reflected beams incident beams (p and s) Ds Dp silicon wafer 2 THz camera mirror beam 2 beam 1 CO2 laser (3.1 THz) silicon wafer 1 heating stage aluminum (a) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 ΔS (μm) T (°C) 20 40 60 80 100 T/(℃) (b) 0 80 160 240 280 ΔS/μm Fig.4 (a) Schematic diagram of the experimental system; (b) Increase of GH shift as a function of temperature of the reflection surface. 图 4 (a) 实验系统图；(b) GH 位移增加量与反射面温度的关系
第6期 臧梦迪等：古斯汉欣位移研究进展 857 传感器相比于传统光强传感器，不再受激光光强涨落的影响。 随着研究的深人，逐渐发现GH位移随温度的变化面发生位移量的改变。2009年，ZHAO Bin等模拟研究发 现在金属介质表面，GH位移会随温度的变化而变化。研究给出了计算位移随温度变化的Due模型，模拟了 在布儒斯特角附近和掠入射角入射时，GH位移随温度变化的关系。找到了理论计算和数值模拟之间的关系。2013 年，SUN Jingjing等实际测量到在高阶导模共振情况下的GH位移随温度的变化B。当温度从50℃变化到51.2 ℃时，GH位移随温度升高而增大，实验测得温度每变化0.2℃，位移变化76μm。升温和降温过程中位移变化 曲线重合度很好，为GH位移的传感应用打下了基础。 GH位移在溶液浓度变化的测量中也具有很大应用价值。2007年，WANG Y.等介绍了一种基于GH位移效 应的振荡波传感器，发现对称金属涂覆层波导超高阶模的钢射损耗和本征损耗是紧密联系的，并得到GH位移效 应的极大增强。利用此传感器测量溶液浓度，结构如图5(a)所示。以一组步长为20mgL浓度的氯化钠溶液（即 图5b)中a为纯水，b、c、d、c溶液的浓度依次增加20mgL)进行分析，浓度每改变20mgL,伴随着2.0×10mg 折射率变化.GH位移变化至少20μm。其结果如图5b)所示。 150202 b 5结论 H位移自首次发现以来 直受到广泛的关注和研究。利用K.Artmann提出的稳定相位理论能够对GH 介质 按时 H位移 比波长高 的 发西 造移 的理论研第 移有 定困难 是提出使用 GH位移 的 振 温度传感和 浓度 感 立移研究的应用价值。 参考文献： 【1】GOOS F,.HANCHEN H.Ein ne r und fundamentale uch zur Annalen Der Physik.1947436(7:333-346 2 ARTMANN K.Berechnung der seitenversetzung des totalreflektierten strahles[J.Annalen Der Physik.1948.437(1-2) 87-102 [3 RENARD R H elle ction:a new evaluation of the Goos-Hanchen shift[J.Journal of th e Optical Society of America. 141 LALH M.K c Phvaica Plasmas Fluids Related Interdisciplinary Topics.2000.62(5):7330-7339 Physical Review E Statistical 5 MCGUIRK M.CARNIGLIA C K.An angular n representation approach to the Goos-Hanchen.Journal of the Optical Society of America.1977.67(11:103-107 [61 TAMIR T.BERTONI H L.Lateral displa of optical beams at multilavered and periodic structures Journal of the Optical Society of Ameriea.1971(61):1397-1413 19-018 China Academic Joumal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enkie
第6期 臧梦迪等：古斯汉欣位移研究进展 857 传感器相比于传统光强传感器，不再受激光光强涨落的影响。 随着研究的深入，逐渐发现 GH 位移随温度的变化而发生位移量的改变。2009 年，ZHAO Bin 等模拟研究发 现在金属介质表面，GH 位移会随温度的变化而变化[34]。研究给出了计算位移随温度变化的 Drude 模型，模拟了 在布儒斯特角附近和掠入射角入射时，GH 位移随温度变化的关系。找到了理论计算和数值模拟之间的关系。2013 年，SUN Jingjing 等实际测量到在高阶导模共振情况下的 GH 位移随温度的变化[35]。当温度从 50 °C 变化到 51.2 °C 时，GH 位移随温度升高而增大，实验测得温度每变化 0.2 °C，位移变化 76 μm。升温和降温过程中位移变化 曲线重合度很好，为 GH 位移的传感应用打下了基础。 GH 位移在溶液浓度变化的测量中也具有很大应用价值。2007 年，WANG Y.[36]等介绍了一种基于 GH 位移效 应的振荡波传感器，发现对称金属涂覆层波导超高阶模的辐射损耗和本征损耗是紧密联系的，并得到 GH 位移效 应的极大增强。利用此传感器测量溶液浓度，结构如图 5(a)所示。以一组步长为 20 mg/L 浓度的氯化钠溶液(即 图 5(b)中 a 为纯水，b、c、d、e 溶液的浓度依次增加 20 mg/L)进行分析，浓度每改变 20 mg/L，伴随着 2.0×10-6 mg/L 折射率变化，GH 位移变化至少 20 μm。其结果如图 5(b)所示。 5 结论 GH 位移自首次发现以来，一直受到广泛的关注和研究。利用 K. Artmann 提出的稳定相位理论能够对 GH 位 移进行理论上的定性解释和定量计算。GH 位移的研究涉及多种界面，本文按时间顺序总结了 GH 位移在金属界 面、介质光栅结构、光子晶体以及多层结构等界面上取得的大量理论和实验研究成果。这些研究追求的目标主要 是获得更大 GH 位移，能得到比波长高 2 个数量级的位移量。由于 THz 波科学技术的不断发展，对于 GH 位移的 研究开始转向 THz 波段，并取得了一定理论研究和实验观测结果。由于 THz 源和探测器等条件的限制，在 THz 波段对于 GH 位移的理论研究多于实验研究。由于一般 GH 位移量较小，以往利用直接测量方法测量 GH 位移有 一定困难，于是提出使用干涉法测 GH 位移，即利用反射光产生的 GH 位移，或者 p 偏振和 s 偏振位移量的不同， 改变了光程差，从而改变干涉条纹，间接测得 GH 位移。随着对 GH 位移研究的逐渐深入，发现 GH 位移可应用 于较高精确度和灵敏度传感，包括位置传感、温度传感和溶液浓度传感，体现了 GH 位移研究的应用价值。 参考文献： [ 1 ] GOOS F,HÄNCHEN H. Ein neuer und fundamentaler versuch zur totalreflexion[J]. Annalen Der Physik, 1947,436(7):333-346. [ 2 ] ARTMANN K. Berechnung der seitenversetzung des totalreflektierten strahles[J]. Annalen Der Physik, 1948,437(1-2): 87–102. [ 3 ] RENARD R H. Total reflection:a new evaluation of the Goos-Hänchen shift[J]. Journal of the Optical Society of America, 1964,54(10):1190-1196. [ 4 ] LAI H M,KWOK C W,LOO Y W,et al. Energy-flux pattern in the Goos-Hänchen effect[J]. Physical Review E Statistical Physics Plasmas Fluids & Related Interdisciplinary Topics, 2000,62(5):7330-7339. [ 5 ] MCGUIRK M,CARNIGLIA C K. An angular spectrum representation approach to the Goos-Hänchen shift[J]. Journal of the Optical Society of America, 1977,67(1):103-107. [ 6 ] TAMIR T,BERTONI H L. Lateral displacement of optical beams at multilayered and periodic structures[J]. Journal of the Optical Society of America, 1971(61):1397-1413. a b c d e 0 50 100 150 200 250 t/s (b) 240 270 300 330 350 ΔS/μm L θ reflected beam incident beam entry exit substrate prism thin gold film photoconductive layer thick gold film glass plate (a) Fig.5 (a) Structure diagram of measuring the change of concentration; (b) Curve of GH shift with changing concentrations under NaCl solution 图 5 (a) 测量浓度变化的结构示意图；(b) GH 位移在 NaCl 溶液条件下随浓度变化曲线