可重构拓扑光子晶体及其生物应用

发布时间：2021-03-04 10:24

光子晶体是近年来快速发展的一种具有带隙结构的人工晶体材料,它在光波导、光通信等方面具有广泛地应用和重要的价值。但是其在光传输中产生的强后向散射,会造成很大的损耗。而拓扑边缘态(topological edge states,TESs)的发现,加深了人们对电磁波散射传播的理解。由于拓扑的鲁棒性,拓扑边缘态在平庸-非平庸绝缘体界面不受到结构缺陷与无序所引起反射的影响。因此人们将拓扑的概念引入光学领域,设计出拓扑光子晶体(topological photonic crystals,PhCs),其拓扑边缘态可以单向传播,并具有无损耗、易集成、高制造容差等优势~([43,56])。现阶段,人们致力于研究拓扑光子晶体中光传输的特性,而动态调控拓扑边缘态却很少被探索。基于这一现状,本文通过改变背景折射率来调控拓扑光子晶体的传输特性,设计出可重构拓扑光子晶体。众所周知,许多生物分子以液晶态存在于生命体中,具有很强的各向异性,不同晶相呈现不同折射率,因此可将拓扑光子晶体应用于生物分子液晶态的检测中。本文设计了一种C_6结构的拓扑光子晶体,并利用有限元法(finite element method)对其能带及电场分布进行了计算分析,通过商业软件COMSOL Multiphysics,数值研究了光沿平庸-非平庸界面单向传播的拓扑光子晶体。在此基础上,我们以各向异性的液晶材料为背景设计出了一种可重构拓扑光子晶体,通过改变液晶分子的不同向列实现了光散射传播与可控传播的两种传输方式,从而达到了拓扑光子晶体对光传播的调控。鉴于生命体中存在许多生物液晶现象,本文在可重构拓扑光子晶体的理论基础上,设计出可见光波段的拓扑光子晶体,利用其可重构性检测生物分子液晶态,并以具有各向异性的DNA分子溶液为例,仿真出该设计在液态与液晶态DNA溶液的背景下对光传播的影响,通过光在拓扑光子晶体中是否发生散射实现了对DNA溶液是否处于液晶态的检测。本文的研究不仅拓宽了拓扑光子晶体的应用,而且在生物检测中具有很大的潜力。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O734

文章目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 光子晶体研究背景

1.2 拓扑光子晶体概述

1.3 研究内容

2 拓扑光子晶体基本原理及电磁场数值计算

2.1 拓扑光子晶体基本原理

2.1.1 赝时间反演对称

2.1.2 拓扑光子晶体的k·P模型

2.1.3 紧束缚模型

2.2 电磁场的数值计算

2.2.1 有限元法

2.2.2 T矩阵法

2.2.3 时域有限差分法

2.3 本章小结

3 可重构拓扑光子晶体的研究

3.1 拓扑能带分析

3.2 拓扑光子晶体场及能量传输

3.3 液晶背景下的可重构拓扑光子晶体

3.4 本章小结

4 可重构拓扑光子晶体对生物液晶的检测

4.1 生物分子的各向异性及生物液晶

4.2 拓扑光子晶体对DNA分子液晶态的检测

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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