古斯-汉欣位移(Goos-H?nchen,GH)位移指的是实际的反射光相对于几何反射光有一段横向的偏移的现象。光在发生全反射的过程中,会在介质中传播一小段距离,这个距离与介质中的倏逝波密切相关。倏逝波指的是光波从光密介质传播到光疏介质并发生全反射时,在光疏介质一侧所产生一种沿界面垂直方向迅速衰减的电磁波。通常来讲,倏逝波传播的距离越远,会导致入射光在介质中传播的越深,从而所产生的GH位移也就越大。近些年来,随着科学技术的飞速发展,GH位移现象已经逐渐引起了人们的重视和关注,并且在光学、医学、生物学、化学等各个领域有着广泛的研究和应用,如基于GH位移的传感器可以检测溶液浓度,利用GH位移的改变来达到控制光强的光开关等等。通常在两种单层界面的GH位移非常小,其大小为纳米级别。因此这就会限制GH位移的应用和发展。为此科学家们尝试了各种各样的方法来增大GH位移,如GH位移增强结构,GH位移增强新材料等等。其中最为引人注意的就是2004年Yin Xiaobo等在实验上发现通过激发表面等离激元共振的方法可以有效地增大GH位移,最大位移达到了可见光波长的50倍,并且GH位移的正负性可以通过调节金属层的厚度有效调控。通过这样的方式,GH位移的大小可以提高到至微米级别,但是获得更大的GH位移还有待突破。进入21世纪以后,材料科学得到了极大的发展,新材料层出不穷,例如,石墨烯、二硫化钼、黑磷等新型二维材料。与传统材料相比,它们在诸多方面优异的性能,如强度高,表面积比大,吸附性好等优点,引起人们的兴趣和关注。这些新型二维材料的引入,一些传统的增大GH位移的结构的方式有望能得到更进一步的发展和研究。本项目提出了几种新的结构,基于增强表面等离激元共振的方法来获得更大的可调控的GH位移,具体的研究成果如下:(1)提出了一种基于长程表面等离激元共振耦合平面波导的方法来增大GH位移。所提出的结构能获得的最大GH位移是入射光波长的4156倍,而引入了石墨烯之后,该位移最大可以达到入射波长的6152倍。相比于传统的表面等离激元结构(GH位移为入射波长的50倍左右),其位移增大了两个数量级。在应用方面,此工作设计的结构用作高灵敏度传感器,其最大灵敏度可以达到4.68×10~7λ/RIU的灵敏度。该研究成果发表在Chinese Physics B上。(2)提出了一种基于石墨烯表面等离激元的Otto结构来增大GH位移。该结构可以获得的最大GH位移为入射光波长的900倍。在引入非线性薄层之后,GH位移表现出了双稳态现象,通过改变外部参数,可以达到对GH位移的动态调节。该研究成果发表在Chinese Physics B上。(3)基于传统的表面等离激元结构,引入石墨烯-二硫化钼异质结引入用以增强表面等离激元共振,从而达到增大GH位移的目的。理论研究表明,该结构所能得到的最大结构可以达到入射波长的235.8倍。当设计的结构用作高灵敏度传感器时,其最高灵敏度为5.545×10~5λ/RIU。相关的研究成果发表在Optical Materials Express上。这三种方案分别采用不同的结构并将二维材料引入其中来增强表面等离激元共振,从而达到增大GH位移的目的。设计的方案中,不仅实现了非常可观的GH位移(最大位移达到毫米级别),发现了双稳态效应的GH位移,还设计了一种高灵敏度GH位移传感器。这些发现不仅对今后光学的深入研究提供了非常多的理论基础,还为GH位移在未来能获得更广泛的应用提供了研究的价值。在未来,我们将继续深耕这一领域,实现更大的GH位移,并争取在实际应用上有所突破,造福社会。