圆环结构磁光光子晶体中的拓扑相变

二维圆环结构的三角晶格磁光光子晶体中可以呈现多重拓扑相.在不同的几何参数和磁场下,这些拓扑相包括正常光子带隙相、量子自旋霍尔相和反常量子霍尔相.与文献[1]类似,该结果展现了二维光子晶体丰富的拓扑相变现象.     

基于拓扑光子晶体的新型光波导研究

光子晶体是具有光子禁带特性的周期性结构,它可具有拓扑属性.由于光学拓扑态能为系统带来一些新的特性,这些新特性在通信、计算、材料等领域都有着巨大的应用前景,因此对拓扑光子晶体的研究受到了广泛的关注.本文回顾了拓扑光子晶体的发展历程,介绍了3种拓扑光子晶体的理论原理与实验方案,分析了光子晶体具有单向传输和抗散射传输性质的边...     

超构材料中的光学拓扑态

拓扑态是当前凝聚态物理中的研究热点,是一种由于整体拓扑效应所导致的全新电子态。近年来,大量理论和实验工作表明,由于拓扑态本质上是一种单粒子波动行为,因此可以在光学体系中找到类比,于是开启了光学拓扑态这一新兴研究方向。光子晶体、光学耦合腔阵列等体系成为重要的拓扑态模拟平台。文章主要以一维Dirac方程体系和二维p波超导体系为例,介绍超构材料(Metamaterials)中的光学拓扑态特性,包括能带翻转、边界态、畴壁、涡旋零能态等典型拓扑行为。     

应用于光隔离器的一维磁光光子晶体结构探索

采用传输矩阵方法分析了一维磁光光子晶体.对不同结构参量下的磁光多层膜的光学性质进行了数值计算.得到了一种新颖实用的磁光多层膜结构,可用作实现光集成应用中的光隔离器的元件.典型磁光材料的厚度仅为2.13 μm,一维磁性光子晶体的总厚度仅为7.03 μm.     

Dirac光子晶体

Dirac费米子作为粒子物理中的基本粒子之一,其理论在近年来蓬勃发展的拓扑电子理论领域中被广泛提及并用来刻画具有Dirac费米子性质的电子态.这种特殊的能态通常被称为Dirac点,在能谱上表现为两条不同能带之间的线性交叉点.由于Dirac点往往是发生拓扑相变的转变点,因而也被视为实现各种拓扑态的重要母态.作为可与拓扑电子体系类比的拓扑光子晶体因其独特的潜在应用价值也受到人们的广泛关注,实现包含Dirac点的光子能带已成为研究拓扑光子晶体的核心课题.本文基于电子的拓扑理论,简要地回顾了Dirac点在光子系统中的研究进展,特别介绍了如何在光子晶体中利用不同晶格对称性实现在高对称点/线上的Dirac点,以及由Dirac点衍生的Weyl点.     

低介电常数超材料在反射型磁光隔离器中的应用

为设计厚度薄、层数少且具有良好工作性能的反射型磁光隔离器,在一维单缺陷磁光光子晶体中引入低介电常数超材料.利用传输矩阵法研究该光子晶体的克尔磁光效应,结果表明,采用低介电常数超材料制备层间阻抗差异较大的一维单缺陷磁光光子晶体,既易于在磁光介质层形成较强的局域场,获得接近45°的克尔旋转角,又可增强光的反射,获得较高的能量反射率.本研究为低介电常数超材料应用提供了新的可能.     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...     

缺陷态光子晶体带隙特性的计算机仿真

基于平面波展开法,设计缺陷态二维正方晶格光子晶体结构,改变构成缺陷态结构的材料、占空比,应用Matlab语言计算机仿真得到,高介电常数材料构成的缺陷态光子晶体形成较宽的横磁波光子带隙,占空比在30％时形成较宽的横磁波光子带隙.研究结论为缺陷态光子晶体滤波器件的制作提供理论依据.     

平带光子微结构中的新颖现象:从模式局域到实空间拓扑

近年来,凝聚态物理中平带局域与拓扑等概念与光学体系的有机结合,使得平带光子学系统的研究迎来了极为快速的发展,催生了一系列新颖的光物理现象与潜在的应用前景.目前,平带结构在光子晶体、光学超构材料以及光子晶格(倏逝波耦合的光学波导阵列)等多种人工光子微结构中得到了实现,并在其中观察到了很多凝聚态系统中难以直接实现的物理现象.本文简要综述光子微结构中关于平带物理的最新研究进展.以光诱导和激光直写光子晶格系统为例,包括Lieb, Kagome和超级蜂窝晶格等,特别介绍平带模式局域与实空间拓扑效应等新颖物理现象.光子微结构为研究平带物理和拓扑效应提供了一个可调控的平台,同时其研究结果也对探究电子、声子、等离激元、腔极化子与超冷原子等系统中相关的基本物理问题和应用具有借鉴作用.     

二维介电光子晶体中的赝自旋态与拓扑相变

基于背散射抑制且对缺陷免疫的传输性质,光子拓扑绝缘体为电磁传输调控提供了一种新颖的思路.类比电子体系中的量子自旋霍尔效应,本文设计出一种简单的二维介电光子晶体,以实现自旋依赖的光子拓扑边界态.该光子晶体是正三角环形硅柱子在空气中排列而成的蜂窝结构.将硅柱子绕各自中心旋转60°,可实现二重简并的偶极子态和四极子态之间的能带翻转.这两对二重简并态的平均能流密度围绕原胞中心的手性可充当赝自旋自由度,其点群对称性可用来构建赝时间反演对称.根据k·p微扰理论,给出了布里渊区中心附近的有效哈密顿量以及对应的自旋陈数,由此证实能带翻转的实质是拓扑相变.数值计算结果揭示,在拓扑非平庸和平庸的光子晶体分界面上可实现单向传输且对弯曲、空穴等缺陷免疫的拓扑边界态.本文中的光子晶体只由电介质材料组成并且晶格结构简单,实现拓扑相变时无需改变柱子的填充率或位置,只需转动一个角度.因此,这种结构在拓扑边界态的应用中更为有效.     

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振及尺寸效应

柱状磁光颗粒的局域表面等离激元共振为二维磁光光子晶体的手征性边缘模的生成提供了重要的机制. 但目前对此类颗粒的局域表面等离激元共振效应的研究局限于长波长近似下的结果, 且缺乏对发生共振时的远场与近场特征的深入了解. 本文从散射理论出发, 计算并分析了柱状磁光颗粒发生局域表面等离激元共振的条件与特殊的场特征, 并讨论了颗粒尺寸对共振峰的影响. 计算结果解释了实验中观察到的二维磁光光子晶体的共振带隙与在长波长近似下得到的局域表面等离激元共振频率的明显偏移, 并展示了颗粒在较大尺寸下形成的高阶共振峰, 这可能有助于利用共振效应在磁光光子晶体中实现多模的手征边缘态.     

一维磁光光子晶体的光学特性研究

详细推导了光在斜入射情况下通过磁光介质的4×4传输矩阵,研究了一维磁光光子晶体的光学特性.研究表明,由于光强主要局域在磁光介质层,波长位于光子禁带长波长带边的光通过磁光光子晶体所产生的法拉第旋转角比短波长带边产生的法拉第旋转角大得多.当光以TM偏振入射时,随着角度增大带边光产生的法拉第旋转角逐渐减小;而在TE偏振情况下,带边光产生的法拉第旋转角却随着角度的增大逐渐增大.     

偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响及其在构建拓扑边界态中的作用

光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开,其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换.本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响,它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响.结果表明:反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换,这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性.根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系,可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

多缺陷结构的一维磁光多层膜隔离器

由磁光介质（M）和电介质（G）周期性排列构成的磁光光子晶体会出现很强的光 局域性，最近用它来实现磁光隔离器引起人们广泛的兴趣.给出了一种可用于计算 偏振光在各向异性介质传播问题的传输矩阵方法.并用该方法计算了对称多缺陷结构磁光多 层膜隔离器的光学性质，发现随着缺陷数目的增多，旋转角及透过率的频谱响应得到改善. 当缺陷增加到一定数目时，不需要额外的反射层即可实现反射型磁光隔离器的要求. 关键词： 光隔离器 磁光效应 多层膜 光子晶体     

基于磁光效应和金属等离子体调制下的非互易微腔模式光学隔离器

为实现高效的光学隔离器,设计了两边镀金属薄膜带缺陷的一维磁光光子晶体系统,并用修正的特征矩阵法研究了它的传输特性.在磁光光子晶体微腔缺陷模式与金属等离子体产生耦合共振的条件下,该结构呈现单向传输的特征.隔离器的传输性能依赖于光的入射角度、微腔和两侧金属薄膜的厚度;在入射角为45°,微腔和金属薄膜厚度分别为449nm和150nm时光隔离器具有较好的性能.     

三种涡旋光光子晶体光纤的设计

为进一步研究光子晶体光纤中涡旋光的传输特性,提出了3种不同结构的涡旋光光子晶体光纤,即三角晶格环形光子晶体光纤(TLPCF)、折射率倒转抛物线式光子晶体光纤(IPGIF)和六重准晶涡旋光光子晶体光纤(SPQCF)。利用矢量有限元分析方法,模拟计算了光纤中各个涡旋光模式的传输特性,研究结果表明:3种涡旋光光子晶体光纤中的模式有效折射率差均大于10~(-4),支持不同数量的涡旋光传输。其中TLPCF的色散系数最小,SPQCF的色散系数最大,两者在宽波段(1400～1700 nm)内均保持了色散平坦趋势;3种光纤的限制性损耗均小于1×10~(-7) dB·m~(-1),能够将光很好地局限在纤芯内部;3种光纤的非线性系数均保持在10~(-3)量级;涡旋光模式稳定传输的距离大于1km。     

类石墨烯复杂晶胞光子晶体中的确定性界面态

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域研究的热点问题.利用石墨烯材料的特殊能带特性来实现拓扑输运特性在设计下一代电子和能谷电子器件方面具有较广泛的应用前景.基于光子与电子的类比,利用光子拓扑材料实现了确定性界面态;构建了具有C_(6v)。对称性的类似石墨烯结构的的光子晶体复杂晶格;通过多种方式降低晶格对称性来获得具有C_(3v),C_3,C_(2v)和C_2对称的晶体,从而打破能谷简并实现全光子带隙结构;将体拓扑性质不同的两种光子晶体摆放在一起,在此具有反转体能带性质的界面上,实现了具有单向传输特性的拓扑确定性界面态的传输.利用光子晶体结构的容易加工性,可以简便地调控拓扑界面态控制光的传播,可为未来光拓扑绝缘体的研究提供良好的平台.     

光子晶体的光学特性与近场光学测量表征

光子晶体具有独特而优异的光学特性及广泛的应用前景。介绍了光子晶体的概念、应用、发展,着重讨论了光子晶体的光子禁带、光子局域以及其它光学特性。从近场光学的原理和实验技术出发阐述了近场光学测量表征光子晶体的方法,对于光子晶体的研究具有重要的意义。     

含双曲超构材料的复合周期结构的带隙调控及应用

等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为.通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料,其等频面都具有相同的封闭拓扑结构.结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体.然而,这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动,既不利于全向带隙的产生与展宽,又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内.本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用,在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙,为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理.基于零移带隙,可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器.基于红移带隙,可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.