光学波段拓扑光子结构的理论模拟研究

发布时间：2020-11-03 22:49

　　 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。
【学位单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O469
【文章目录】：
摘要
abstract
1 前言
    1.1 光学拓扑态
    1.2 拓扑光子结构
        1.2.1 Gyroid光子结构
        1.2.2 Chiralwoodpile光子结构
    1.3 拓扑光子结构的应用
    1.4 拓扑光子结构的实验研究
        1.4.1 生物光子结构
        1.4.2 基于生物标本的技术
        1.4.3 激光直写法（DLW）
        1.4.4 3D打印技术
        1.4.5 全息光刻技术（HL）
    1.5 论文的研究意义及主要内容安排
2 全息干涉制备光子结构基本原理
    2.1 光学晶格与倒易空间
        2.1.1 倒格矢定义
        2.1.2 波矢差与倒易矢量
        2.1.3 光学晶格对称性与光束几何构型的关系
        2.1.4 立方晶格的光束配置
    2.2 干涉光场分布与周期结构函数
        2.2.1 周期性函数与结构
        2.2.2 二维周期函数与结构
        2.2.3 三维周期函数与结构
        2.2.4 周期函数的组合
        2.2.5 干涉光场分布与傅里叶级数
    2.3 基于全息光刻制备三维周期结构
    2.4 小结
3 Gyroid光子结构的模拟研究
    3.1 光束构型计算
    3.2 光束电场矢量的确定
    3.3 光束偏振态的确定
        3.3.1 椭圆偏振光
        3.3.2 椭圆偏振光的斯托克斯参数表示
        3.3.3 制备Gyroid光子结构所需的光束偏振态
    3.4 Gyroid光子结构的模拟验证
        3.4.1 Gyroid光子结构的干涉模拟实现
        3.4.2 相位改变对结构的影响
        3.4.3 光强改变对结构的影响
    3.5 小结
4 Chiralwoodpile光子结构的模拟研究
    4.1 单次曝光实现Chiralwoodpile结构
        4.1.1 Chiralwoodpile光子结构的晶格参数
        4.1.2 实现Chiralwoodpile光子结构制备的光束构型
    4.2 三次曝光实现复式Chiralwoodpile光子结构
        4.2.1 实现复式Chiralwoodpile光子结构制备的光束构型
        4.2.2 第一次曝光,实现[010]方向棒
        4.2.3 第二次曝光,实现[1-10]方向棒
        4.2.4 第三次曝光,实现[110]方向棒
        4.2.5 干涉叠加
    4.3 小结
5 结论
展望
参考文献
附录
致谢
攻读学位期间发表学术论文目录

【参考文献】

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本文编号：2869216