文献综述
当光由光密介质入射至光疏介质,当入射角大于临界角时,则会发生全反射。从几何光学的观点看来,发生全反射时入射光在介质表面的入射点位置与出射点位置相同。但在17世纪,牛顿在其光学著作中猜想光束的全反射路径可能是先从光密介质绕到光疏介质,然后再回到光密介质,即意味着光束在全反射过程中在入界面位置和出界面位置之间发生了一段微小的横向位移。直到1947年古斯和汉欣才在实验上证实了该现象——光束在两种不同折射率界面发生全反射时有一段横向的位移,后来此种位移被称为古斯—汉欣位移。当古斯和汉欣在实验中发现该位移后,许多研究者尝试给出更为理的理论解释。在诸多理论中,主要有两种解释,分别是稳态相位法和能流法。除了这两种理论解释外,还有角谱法、高斯光束法等理论,从古斯—汉欣位移理论解释中,人们可以发现影响古斯—汉欣位移的因素包括:光束的偏振状态、入射角,以及介质的介电常数、磁导率等。若是平板或多层结构,则还有介质层厚度等因素。这些因素往往与光子器件的材料、结构等密切相关。因此通过不同参数来改变古斯—汉欣位移,可获得不同的效果。
作为一种基本的物理现象,它已延伸到声学、量子力学和物质波等领域。横向位移在光学器件如光波导中是值得考虑的一个重要问题,一次全反射古斯汉欣位移只是波长量级,而光在波导中经过成百上千次反射后的横向位移是一个可观的量。在未来集成芯片中,光学器件的尺度将变得很小。对于宏观尺度的光学器件而言,位移并不会产生太大影响。然而当器件的几何尺度和波长接近时,由于位移的尺度为波长甚至几十个波长的量级,位移不可忽略,光被光子晶体表面反射时的位移,将是一个有价值并且值得深入研究的问题。在全反射系中,早期研究的古斯-汉欣位移通常为正值。20 世纪50 年代,Wolter 在研究全反射过程中注意到古斯—汉欣位移可以为负的现象。从光学角度讲,古斯—汉欣位移符号的变化对于设计集成光子器件、光开关等方面的应用有重要意义。当电磁波以一定角度入射到手征特异材料界面时,当入射角大于左旋极化波(相对小的)全反射时的临界角,正的和负的古斯-汉欣位移都可能得到,而当入射角大于右旋极化波(相对大的)全反射时的临界角,只能得到正的古斯-汉欣位移。随着理论上对古斯—汉欣位移的研究,未来对于古斯—汉欣位移的研究必然会在新材料的发现和新研究手段出现的背景下继续向前推进,尤其是在各类微纳器件的设计中必须考虑该效应的影响。另外,古斯—汉欣位移还涉及其他的基本物理现象,如光的群延迟时间、光子的隧穿现象、光束的Imbert—Fedorov 效应和角偏转现象等等。所有这些问题的研究都将丰富与加深对光波动本质的认识与理解,对设计与制备新型微纳器件具有重要意义。
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