Goos–Hänchen-effekt

Stråldiagram som illustrerar fysiken för Goos-Hänchen-effekten

Goos –Hänchen-effekten (uppkallad efter Hermann Fritz Gustav Goos (1883 – 1968) och Hilda Hänchen (1919 – 2013) är ett optiskt fenomen där linjärt polariserat ljus genomgår en liten sidoförskjutning när det reflekteras totalt internt . Förskjutningen är vinkelrät mot Utbredningsriktningen i planet som innehåller de infallande och reflekterade strålarna. Denna effekt är den linjära polarisationsanalogen till Imbert-Fedorov-effekten .

Denna effekt uppstår eftersom reflektionerna av en stråle med ändlig storlek kommer att interferera längs en linje tvärs den genomsnittliga utbredningsriktningen. Som visas i figuren ges överlagringen av två plana vågor med något olika infallsvinklar men med samma frekvens eller våglängd av

$\underline {E}} (x,z,t)=\mathbf {\underline {E}} ^{TE/TM}\left(e^{j\mathbf {k} _{1}\cdot \mathbf {r} }+e^ {j\mathbf {k} _{2}\cdot \mathbf {r} }\right)\cdot e^{-j\omega t}}$

var

$\mathbf {k} _{1}=k\left(\cos {\left( \theta _{0}+\Delta \theta \right)}\mathbf {\hat {x}} +\sin {\left(\theta _{0}+\Delta \theta \right)}\mathbf {\ hatt {z}} \right)$

och

$\mathbf {k} _{2}=k\left(\cos {\left( \theta _{0}-\Delta \theta \right)}\mathbf {\hat {x}} +\sin {\left(\theta _{0}-\Delta \theta \right)}\mathbf {\ hatt {z}} \right)$

med

$k={\begin{matris}{\frac {\omega }{c}}\end{matris}}n_{1}$ .

Det kan visas att de två vågorna genererar ett interferensmönster tvärs den genomsnittliga utbredningsriktningen,

$\mathbf {k} _{0}=k\left(\cos {\theta _{0}}\mathbf {\hat {x }} +\sin {\theta _{0}}\mathbf {\hat {z}} \right)$

och på gränssnittet längs ${\displaystyle (y,z)}-$ planet.

Båda vågorna reflekteras från ytan och genomgår olika fasförskjutningar, vilket leder till en sidoförskjutning av den finita strålen. Därför Goos–Hänchen-effekten ett koherensfenomen.

Denna effekt fortsätter att vara ett ämne för vetenskaplig forskning, till exempel i samband med nanofotoniktillämpningar. Ett negativt Goos–Hänchen-skifte visades av Wild och Giles. Känslig detektering av biologiska molekyler uppnås baserat på mätning av Goos–Hänchen-förskjutningen, där signalen för lateral förändring är i ett linjärt samband med koncentrationen av målmolekyler. Verket av Merano et al. studerade Goos-Hänchen-effekten experimentellt för fallet med en optisk stråle som reflekteras från en metallyta (guld) vid 826 nm. De rapporterar en betydande, negativ sidoförskjutning av den reflekterade strålen i infallsplanet för en p-polarisation och en mindre, positiv förskjutning för s-polarisationsfallet.

Generering av jätte Goos-Hänchen shift och deras relaterade applikationer

Det är känt att värdet på lateral position Goos-Hänchen-förskjutning endast är 5-10 μm vid en total inre reflektionsgränsyta av vatten och luft, vilket är mycket svårt att mäta experimentellt. För att generera ett gigantiskt Goos-Hänchen-skifte upp till 100 μm, applicerades ytplasmonresonanstekniker baserat på ett gränssnitt mellan metall/dielektrikum. Elektronerna på den metalliska ytan är starkt resonanta med de optiska vågorna under specifika excitationsförhållanden. Ljuset har helt absorberats av de metalliska nanostrukturerna och skapar en extrem mörk punkt i resonansvinkeln. Således genereras en gigantisk Goos-Hänchen positionsförskjutning av denna singulära mörka punkt vid det totalt internt reflekterade gränssnittet. Detta gigantiska Goos-Hänchen-skifte har tillämpats inte bara för mycket känslig detektering av biologiska molekyler utan också för observation av Photonic Spin Hall Effect som är viktiga i kvantinformationsbehandling och kommunikation.

•   de Fornel, Frédérique (2001). Evanescent Waves: Från Newtonsk optik till atomoptik . Berlin: Springer. s. 12–18. ISBN 9783540658450 .
• Goos, F.; Hänchen, H. (1947). "Ein neuer und fundamentaler Versuch zur Totalreflexion". Annalen der Physik . 436 (7–8): 333–346. Bibcode : 1947AnP...436..333G . doi : 10.1002/andp.19474360704 .
• Delgado, M.; Delgado, E. (2003). "Utvärdering av en total reflektionsuppsättning av en gränssnittsgeometrisk modell". Optik . 113 (12): 520–526. Bibcode : 2003Optik.113..520D . doi : 10.1078/0030-4026-00205 .