光学波段拓扑光子结构的理论模拟研究

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光子晶体拓扑态的研究方兴未艾。拓扑光子结构中存在的拓扑态极为丰富,例如能带结构中可能出现的线节点、Dirac点或者Weyl点。如今,拓扑开辟了一个全新的自由度,许多拓扑界面态的传输不受制造缺陷的影响,因此可用于单向波导,耦合效率或隔离器的集成。二维拓扑表面可以用于表面传感和荧光计数。与规则光学系统相比,Dirac和Weyl点处的模态数量不随系统腔的尺寸而变化,实现光拓扑态具有广阔的应用前景,这是一个内容丰富且蓬勃发展的新兴领域,对新型光学器件的研制具有重要意义。本文的主要工作是:在激光全息干涉理论的基础上,计算模拟产生两种拓扑光子结构(Gyroid和Chiral woodpile)的光路配置,为后续实验制备以及研究提供理论指导。主要研究内容包括:首先,主要介绍拓扑、光学拓扑态的基本概念和国内外拓扑光学的研究进展,重点介绍两种拓扑光子结构。其次,详细介绍激光全息干涉的基本原理和光子结构的理论模拟方法:一是基于光学晶格与倒易空间的对应关系;二是基于干涉光场分布与周期结构函数的傅里叶级数之间的对应关系。再次,根据干涉光场分布与周期结构函数的傅里叶级数之间的对应关系,得出全息光刻技术制备Gyroid光子结构的光路构型和光束参数;利用MATLAB数值计算,模拟验证该光路制备Gyroid光子结构的可行性,并对实际实验过程中,光束参数的改变对实验结果可能造成的影响进行了分析讨论。然后,根据光学晶格与倒易空间的对应关系,分析单次曝光产生Chiral woodpile光子结构的光路构型。同时,提出通过三次曝光和旋转样品的方法获得复式Chiral woodpile光子结构的方法。最后,对本研究工作进行总结,得出结论,并在前期研究的基础上对未来的工作进行了展望。
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