Эффект Гуса – Хенхена

Лучевая диаграмма, иллюстрирующая физику эффекта Гуса – Хенхена.

Эффект Гуса -Хенхена (назван в честь Германа Фрица Густава Гуса (1883–1968) ^{[ 1 ]} и Хильда Хэнхен (1919–2013) — оптическое явление , при котором линейно поляризованный свет претерпевает небольшой боковой сдвиг при полном внутреннем отражении . Смещение перпендикулярно направлению распространения в плоскости, содержащей падающий и отраженный лучи. Этот эффект является линейным поляризационным аналогом эффекта Имберта – Федорова .

Акустический аналог эффекта Гуса – Хенхена известен как смещение Шоха. ^{[ 2 ]}

Описание

Этот эффект возникает потому, что отражения луча конечного размера будут интерферировать вдоль линии, поперечной среднему направлению распространения. Как показано на рисунке, суперпозиция двух плоских волн с немного разными углами падения, но одинаковой частоты или длины волны, определяется выражением

\mathbf {\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}

где

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

и

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

с

k={\begin{matrix}{\frac {\omega }{c}}\end{matrix}}n_{1}

.

Можно показать, что две волны генерируют интерференционную картину, поперечную среднему направлению распространения:

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

и на интерфейсе вдоль $(y,z)$ самолет.

Обе волны отражаются от поверхности и претерпевают разные фазовые сдвиги, что приводит к латеральному сдвигу конечного пучка. Следовательно, эффект Гуса-Хенхена представляет собой явление когерентности.

Исследовать

Этот эффект продолжает оставаться темой научных исследований, например, в контексте приложений нанофотоники . Отрицательный сдвиг Гуса-Хенхена был показан Уолтером Дж. Уайлдом и Ли Джайлсом . ^{[ 3 ]} Чувствительное обнаружение биологических молекул достигается на основе измерения сдвига Гуса-Хенхена, где сигнал латерального изменения находится в линейной зависимости от концентрации целевых молекул. ^{[ 4 ]} Работа М. Мерано и др. ^{[ 5 ]} экспериментально исследовали эффект Гуса-Хенхена для случая отражения оптического луча от металлической поверхности (золота) на длине волны 826 нм. Они сообщают о существенном отрицательном латеральном сдвиге отраженного луча в плоскости падения для случая p-поляризации и о меньшем положительном сдвиге в случае s-поляризации.

Генерация гигантского сдвига Гуса-Хенхена

Известно, что величина латерального позиционного сдвига Гуса-Хенхена составляет всего 5-10 мкм на границе полного внутреннего отражения воды и воздуха, что очень трудно измерить экспериментально. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Чтобы создать гигантский сдвиг Гуса-Хенхена до 100 мкм, были применены методы поверхностного плазмонного резонанса, основанные на границе раздела металл/диэлектрик. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Электроны на металлической поверхности сильно резонируют с оптическими волнами при определенных условиях возбуждения. Свет полностью поглощается металлическими наноструктурами и создает крайне темную точку — угол резонанса. границе раздела создает гигантский сдвиг положения Гуса-Хенхена Таким образом, эта особая темная точка на полностью внутренне отраженной . ^{[ 11 ]} Этот гигантский сдвиг Гуса-Хенхена был применен не только для высокочувствительного обнаружения биологических молекул, но и для наблюдения фотонного спинового эффекта Холла, который важен для квантовой обработки информации и связи. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Ссылки

^ от: Фриц Гус
^ Аталар, Абдулла (1978). «Угловой спектральный подход к контрасту в акустической микроскопии отражения». Журнал прикладной физики . 49 : 5130–5139. дои : 10.1063/1.324460 .
^ Уайлд, Уолтер Дж.; Джайлз, К. Ли (1982). «Гус-Хенхен отказывается от поглощающей информации» (PDF) . Физический обзор А. 25 (4): 2099–2101. Бибкод : 1982PhRvA..25.2099W . дои : 10.1103/physreva.25.2099 .
^ Цзян, Л.; и др. (2017). «Многофункциональная гиперболическая метаповерхность с наноканавками для субмолекулярного обнаружения» . Маленький . 13 (30): 1–7. дои : 10.1002/smll.201700600 . ПМИД 28597602 .
^ М. Мерано; А. Айелло; GW 'т Хоофт; депутат ван Экстер; ЭР Элиэль; Дж. П. Вурдман (2007). «Наблюдение сдвигов Гуса Хенхена при отражении металла». Оптика Экспресс . 15 (24): 15928–15934. arXiv : 0709.2278 . Бибкод : 2007OExpr..1515928M . дои : 10.1364/OE.15.015928 . ПМИД 19550880 . S2CID 5108819 .
^ А.В. Снайдер (1976). «Сдвиг Гуса-Хенхена» . Прикладная оптика . 15 (1): 236–238. Бибкод : 1976ApOpt..15..236S . дои : 10.1364/AO.15.000236 . ПМИД 20155209 .
^ Р. Х. Ренар (1964). «Полное размышление: новая оценка сдвига Гуса – Хенхена» . Журнал Оптического общества Америки . 54 (10): 1190–1197. дои : 10.1364/JOSA.54.001190 .
^ С. Инь (2006). «Датчик поверхностного плазмонного резонанса сдвига Гуса-Хенхена» . Письма по прикладной физике . 89 (26): 261108. Бибкод : 2006ApPhL..89z1108Y . дои : 10.1063/1.2424277 .
^ AD Парки (2015). «Слабое усиление внерезонансного сдвига Гуса – Хенхена в устройстве поверхностного плазмонного резонанса Кречмана – Ретера» . Прикладная оптика . 54 (18): 5872–5876. Бибкод : 2015ApOpt..54.5872P . дои : 10.1364/AO.54.005872 . ПМИД 26193042 .
^ С. Цзэн (2020). «Плазмонные метасенсоры на основе 2D гибридных атомно тонких перовскитных наноматериалов» . Наноматериалы . 19 (7): 1289–96. дои : 10.3390/nano10071289 . ПМК 7407500 . ПМИД 32629982 .
^ Ю. Ван (2021). «Целевое обнаружение субаттомольных биомаркеров рака на основе фазовой сингулярности 2D-плазмонного биосенсора, усиленного наноматериалами» . Нано-микробуквы . 13 (1): 96–112. arXiv : 2012.07584 . Бибкод : 2021NML....13...96W . дои : 10.1007/s40820-021-00613-7 . ПМЦ 7985234 . ПМИД 34138312 . S2CID 229156325 .
^ К.Ю. Блиох (2015). «Спин-орбитальные взаимодействия света» . Природная фотоника . 9 (12): 796–808. arXiv : 1505.02864 . Бибкод : 2015NaPho...9..796B . дои : 10.1038/nphoton.2015.201 . S2CID 118491205 .
^ С. Инь (2015). «Фотонный спин-эффект Холла на метаповерхностях» . Наука . 339 (6126): 1405–1407. дои : 10.1126/science.1231758 . ПМИД 23520105 . S2CID 5740891 .

Книги

де Форнель, Фредерик (2001). Затухающие волны: от ньютоновской оптики к атомной оптике . Берлин: Шпрингер. стр. 12–18. ISBN 9783540658450 .
Гус, Ф.; Хэнхен, Х. (1947). «Новая и фундаментальная попытка тотального внутреннего отражения» . Анналы физики . 436 (7–8): 333–346. Нагрудный код : 1947АнП...436..333Г . дои : 10.1002/andp.19474360704 .
Дельгадо, М.; Дельгадо, Э. (2003). «Оценка настройки полного отражения с помощью геометрической модели интерфейса». Оптик . 113 (12): 520–526. Бибкод : 2003Оптик.113..520Д . дои : 10.1078/0030-4026-00205 .

[1] от: Фриц Гус

[2] Аталар, Абдулла (1978). «Угловой спектральный подход к контрасту в акустической микроскопии отражения». Журнал прикладной физики . 49 : 5130–5139. дои : 10.1063/1.324460 .

[3] Уайлд, Уолтер Дж.; Джайлз, К. Ли (1982). «Гус-Хенхен отказывается от поглощающей информации» (PDF) . Физический обзор А. 25 (4): 2099–2101. Бибкод : 1982PhRvA..25.2099W . дои : 10.1103/physreva.25.2099 .

[4] Цзян, Л.; и др. (2017). «Многофункциональная гиперболическая метаповерхность с наноканавками для субмолекулярного обнаружения» . Маленький . 13 (30): 1–7. дои : 10.1002/smll.201700600 . ПМИД 28597602 .

[5] М. Мерано; А. Айелло; GW 'т Хоофт; депутат ван Экстер; ЭР Элиэль; Дж. П. Вурдман (2007). «Наблюдение сдвигов Гуса Хенхена при отражении металла». Оптика Экспресс . 15 (24): 15928–15934. arXiv : 0709.2278 . Бибкод : 2007OExpr..1515928M . дои : 10.1364/OE.15.015928 . ПМИД 19550880 . S2CID 5108819 .

[6] А.В. Снайдер (1976). «Сдвиг Гуса-Хенхена» . Прикладная оптика . 15 (1): 236–238. Бибкод : 1976ApOpt..15..236S . дои : 10.1364/AO.15.000236 . ПМИД 20155209 .

[7] Р. Х. Ренар (1964). «Полное размышление: новая оценка сдвига Гуса – Хенхена» . Журнал Оптического общества Америки . 54 (10): 1190–1197. дои : 10.1364/JOSA.54.001190 .

[8] С. Инь (2006). «Датчик поверхностного плазмонного резонанса сдвига Гуса-Хенхена» . Письма по прикладной физике . 89 (26): 261108. Бибкод : 2006ApPhL..89z1108Y . дои : 10.1063/1.2424277 .

[9] AD Парки (2015). «Слабое усиление внерезонансного сдвига Гуса – Хенхена в устройстве поверхностного плазмонного резонанса Кречмана – Ретера» . Прикладная оптика . 54 (18): 5872–5876. Бибкод : 2015ApOpt..54.5872P . дои : 10.1364/AO.54.005872 . ПМИД 26193042 .

[10] С. Цзэн (2020). «Плазмонные метасенсоры на основе 2D гибридных атомно тонких перовскитных наноматериалов» . Наноматериалы . 19 (7): 1289–96. дои : 10.3390/nano10071289 . ПМК 7407500 . ПМИД 32629982 .

[11] Ю. Ван (2021). «Целевое обнаружение субаттомольных биомаркеров рака на основе фазовой сингулярности 2D-плазмонного биосенсора, усиленного наноматериалами» . Нано-микробуквы . 13 (1): 96–112. arXiv : 2012.07584 . Бибкод : 2021NML....13...96W . дои : 10.1007/s40820-021-00613-7 . ПМЦ 7985234 . ПМИД 34138312 . S2CID 229156325 .

[12] К.Ю. Блиох (2015). «Спин-орбитальные взаимодействия света» . Природная фотоника . 9 (12): 796–808. arXiv : 1505.02864 . Бибкод : 2015NaPho...9..796B . дои : 10.1038/nphoton.2015.201 . S2CID 118491205 .

[13] С. Инь (2015). «Фотонный спин-эффект Холла на метаповерхностях» . Наука . 339 (6126): 1405–1407. дои : 10.1126/science.1231758 . ПМИД 23520105 . S2CID 5740891 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]