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《北京理工大学》 2017年
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光学微纳结构中经典光拓扑态及相关现象研究

杨冰  
【摘要】:当光学结构的尺寸逐渐缩小到微米、纳米量级时,光波在这些结构中的传播会表现出与在宏观光学元件中截然不同的现象。利用这种光学微纳结构实现对光的操纵和调控已经取得了很多理论和应用的成果。2005年,Haldane将拓扑概念由电子系统推广应用到光学系统,从而开创了拓扑光子学的研究领域。自此,光学微纳结构中的经典光拓扑态研究就一直是最近十多年的研究热点。到目前为止,人们已经在理论和实验中利用各种不同的光学微纳结构在微波、红外和可见光波段实现了不同的光学拓扑态。通过设计不同的光学微纳结构实现经典光的不同拓扑态在光子学和光电子学领域都有很重要的理论与现实意义。本论文对光学微纳结构中光学拓扑态的设计及相关性质作了系统的研究,主要内容如下:首先,根据微扰理论,我们研究了光学微纳系统结构与参数变化对磁光子晶体本征频带的影响,并由此提出了一个简单而又有效的方法来设计二维磁光子晶体中的拓扑边缘态。利用我们的方法,结合光子晶体的结构特点及色散频带中带边布洛赫点的本征场分布(带边场),通过调整系统的结构和参数,可以方便地在二维磁光子晶体中实现对拓扑边缘态的设计。通过具体实例分析,我们在二维磁光子晶体中实现了具有不同拓扑性质的光子带隙及拓扑边缘态。接着,通过设计二维磁光子晶体的结构及参数,我们在二维磁光子晶体中发现了两类具有不同拓扑性质的平带态。一类具有平庸的拓扑性质,另一类具有非平庸的拓扑性质。通过数值计算和物理分析,我们研究了这两类平带态的物理起源及拓扑性质。拓扑平庸的平带态来源于二维光子晶体中单个圆柱的共振散射或者复晶格中腔的共振模,而拓扑平带态来源于复晶格中相邻元胞间的旋磁耦合相互作用。拓扑平庸平带态的Berry曲率在整个布里渊区都等于零,而拓扑平带态的Berry曲率在布里渊区是缓慢变化的。在光子晶体内部,金属障碍物可以很容易地屏蔽点光源激发的拓扑平庸的平带态,而点光源激发的拓扑平带态却可以绕过金属障碍物而继续传播。然后,我们研究了非晶形二维磁光子晶体结构中的光学拓扑态。我们设计了一种非晶形的二维磁光子晶体结构,并利用超元胞近似的方法,构造了与该非晶形光子晶体系统近似的超元胞非晶形光子晶体结构。逐渐扩大光子晶体的超元胞尺寸,使得利用超元胞方法构造的光子晶体可以近似等价于非晶形光子晶体系统。这样,非晶形光子晶体系统的光学拓扑态就可以通过超元胞光子晶体系统的拓扑性质来表征。通过计算这些光子晶体结构中的频带结构,并结合边缘态分析和单向传导的边缘态模拟,我们发现,在非晶形光子晶体结构中也可以存在稳定的光学拓扑态。并且,通过调整非晶形光子晶体的结构参数,也可以在这些系统中实现高陈数的光学拓扑态。最后,本文介绍了我们利用石墨烯材料调控光吸收的方法,即通过石墨烯包裹介质球的方法实现在红外光波段可调的光吸收。由于石墨烯中的等离子体共振效应,石墨烯包裹的介质球在红外光波段有很强的光吸收。通过调整介质球的半径、介电常数以及石墨烯的费米能级和阻尼系数等参数,可以调控由石墨烯包裹的介质球组成的纳米结构系统的红外光吸收。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O734

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