一、光子晶体的能带结构及应用前景（论文文献综述）
李儒颂[1]（2021）在《1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究》文中研究说明随着智慧城市、5G网络、人工智能、云计算和大数据中心等新一代信息技术的快速发展,网络数据流量在近年来呈现出指数增长趋势,促使光互连技术向更高速率、更大容量和更低功耗的方向发展。高速面发射激光器作为该领域关键核心器件,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。垂直腔面发射激光器（VCSELs）由于长波长DBR难以外延生长且具有较大的损耗和串联电阻,因而还难以满足应用需求。而光子晶体面发射激光器（PCSELs）具有大面积单模激射、任意光束整形与偏振调控、片上二维光束控制及波长易于拓展等多种突出功能,因此在实现光纤的两个低损耗传输窗口（1.31μm,1.55μm）更具优势。近年来,受凝聚态中拓扑相和拓扑相变概念的启发,基于拓扑能带论的拓扑光子学正在兴起,其中具有鲁棒性的拓扑腔面发射激光器（TCSELs）不仅拥有高光束质量的优点,而且可以产生携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束。OAM复用技术可极大提高光通信系统的信道容量,是未来通信技术的重要发展方向。本论文基于光子晶体对光子态的调控,结合光子晶体微腔与光子晶体带边激射原理设计出了具有异质光子晶体腔结构,为实现高速PCSELs提供了可行性方案,同时将具有拓扑性质的光子晶体引入面发射激光器中并通过合理的优化设计,以达到高速、大功率、低阈值、窄线宽和提高边模抑制比的目的,具有潜在替代现有VCSELs的优势。主要研究内容和创新成果如下:1.对PCSELs的带边激射原理和阈值增益进行了理论分析,并结合半导体激光器速率方程推导出了PCSELs的光功率公式,同时分析了二维光子拓扑绝缘体的边界态与拓扑相变机理,为研制高速PCSELs与TCSELs提供了理论基础。2.开展了高速双晶格PCSELs的理论研究。设计了增强面内光反馈的PCSELs,其谐振腔是由两种具有不同光子带隙的光子晶体组成的面内异质结构,除了利用光子晶体带边的光反馈外,还利用了两种光子晶体边界的反射,并通过调控其中双晶格光子晶体的两个空气孔间距来提高反向传播光之间的一维耦合系数,从而实现对激射模式的强面内限制。通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）证实了我们所提出的异质PCSELs可以在较小的正方形区域内实现1.3μm单模激射,并可能实现大于30 GHz的3d B调制带宽。3.开展了基于Dirac点高速PCSELs的理论研究。通过调控光子晶体参数得到双Dirac锥形色散,设计了增强Dirac点面内反馈的PCSELs,并且由于在Dirac点态密度可以降为零,而自发辐射耦合系数?与态密度成反比,因此利用Dirac点作为带边激射,可有效提高PCSELs调制速率,通过3D-FDTD证实其是以四极模激射,在基于少模的空分复用系统中可能具有潜在的应用。4.开展了基于能带反转光场限制效应的高速拓扑体态面发射激光器的理论研究。拓扑谐振腔是由拓扑态光子晶体（R2=1.05R0）外围完整拼接与其带隙相当的拓扑平庸态光子晶体（R1=0.94R0）构成,在拼接的边界处会产生光场的反射和限制效应,通过3D-FDTD证实其可在较小的正六边形区域内实现1.3μm低发散角单模激射。此外,该拓扑体态面发射激光器由于能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围,因此限制了能够获得有效反馈的模式数目,这种模式选择机制与带边模式PCSELs完全不同,更有利于实现单模面发射,在高速光通信领域中的应用将更具有优势。5.开展了高速Dirac涡旋腔面发射激光器的理论研究。通过对正常蜂窝光子晶体超胞应用广义的Kekulé调制和收缩操作,然后将它们完整拼接得到异质Dirac涡旋腔（具有鲁棒的中间带隙模）,同时适当调控腔中子晶格的尺寸,使得带间模收敛于Dirac点频率并处于外围光子晶体的禁带中,以达到增强带间模面内光反馈的目的,从而有利于实现高速调制。研究结果表明,以该异质Dirac涡旋腔的带间模作为带边激射,可在较小的区域内实现1.3μm单模矢量光束输出,这为发展具有优异性能的新型高速拓扑PCSELs提供了可能。
郭鑫[2]（2021）在《光子晶格中线态和拓扑绝缘体的研究》文中提出光子晶格由于拥有周期性的结构以及独特的特性,受到诸多研究凝聚态物理和光学学者的广泛关注。利用光子晶格,合理调节参数,设置传播路径和预测传输结果在光学成像等领域具有重要的研究意义及应用价值。近年来,利用光子晶格实现光局域已然成为研究的热点之一。利用光晶格实现光波的调控思想来源于半导体晶格对电子波函数的调控,因为描述二者的数学方程形式上是一致的。在光子晶格中可以通过施加无序、磁场、设计缺陷和利用光子晶体的非线性效应等实现光子局域。但是这些方法均对光子晶体进行了调制,这增加了实验和应用的难度。近年来,研究者提出一种无需额外的调制、仅通过晶格本身所具有的能带拓扑结构抵消光波在传播过程中发生的离散衍射现象,实现光子局域,这样的系统称之为平带系统。平带系统仅存在于一些特定结构的光子晶格中,例如Lieb晶格、Kagome晶格和超级蜂巢晶格等等。平带系统具有完美的可以线性叠加的紧局域态已得到广泛研究。近几年,研究发现在被截断的二维光子晶格（Lieb和超级蜂巢晶格）的平带系统中还存在新型的“平带线态”,它们仍拥有强烈的光局域特性,呈现直线状或折线状。由于在光子拓扑绝缘体中存在受拓扑保护且抑制背向散射的边界态,在光传输和光量子计算等领域有着广阔的应用前景,因此光子拓扑绝缘体的研究成为目前光子学领域的研究热点。凝聚态物质的拓扑相的概念与光学体系的结合催生了一系列新颖的物理现象,例如:光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应和光Floquet拓扑绝缘体等。在Lieb和蜂巢晶格中,利用紧束缚法引入自旋轨道耦合,拓扑非平庸的体能隙被打开,产生量子自旋霍尔效应,从而获得了边缘态。本论文主要基于以上两点,分别在Kagome晶格中产生“平带线态”及“边缘态”,完善了光子局域及边缘态的体系。主要内容如下:（1）首先,利用紧束缚方法分析Kagome光子晶格的能带结构及平带本征矢,理论分析新型的“平带线态”模式;然后基于傍轴类薛定谔方程,利用分步傅里叶算法数值模拟Kagome晶格中“平带线态”强烈的局域特性。（2）其次,利用紧束缚方法在三种半无限边界结构的Kagome光子晶格（即混合边界,折线边界和摇椅边界）的次邻近项中引入自旋轨道耦合,能带发生形变,产生拓扑边缘态。需要特别指出的是:基于混合边界Kagome晶格,调节自旋轨道耦合系数,可以产生两种不同频率的拓扑边缘态。这项工作为基于Kagome晶格引入自旋轨道耦合实现拓扑激光器奠定了基础。
胡磊[3]（2021）在《二维及类二维光子晶体在狄拉克频率处的局域特性研究》文中研究说明二维材料因其独特的性质吸引了众多研究者的兴趣,其中最吸引人的特征之一是石墨烯电子能带结构中圆锥形的能带片段连接而成的奇点狄拉克点,该点处的模态密度为零,在其邻近范围内,模态密度线性衰减,色散曲线呈线性变化。近年来,由于光子晶体中的狄拉克点也具有不同寻常的色散关系,吸引了越来越多人的关注,对克莱因隧穿效应、量子震颤效应和赝扩散等行为进行了研究。同时,异于传统光子带隙或全内反射原理,狄拉克频率处的新型光局域和导光机制应运而生,这种狄拉克定域/导波模式由于具有独特的代数衰减特性,作为一种光子晶体的新颖类量子效应,将为新型光子器件、光子芯片结构、光学传感的设计增加可行性和灵活性。本文采用理论分析、数值计算和微波实验的方法,对不同波段、不同晶格类型、色散/非色散材料、二维/类二维光子晶体中狄拉克锥的性质以及狄拉克频率处的局域模和相关特性进行了深入的研究,主要研究工作和结果如下:1)电介质光子晶体狄拉克局域模式的数值模拟与实验分析。介绍具有高品质因数、代数形式的慢衰减速率以及稳定驻波特性的TE模式三角晶格光子晶体中的狄拉克频率局域模。在微小折射率差近似下分析了TM模式三角晶格光子晶体布里渊区角点处的简并性及其附近的色散特性,推导得到了TM模式下含缺陷三角晶格光子晶体所具有的与TE模式完全类似的狄拉克频率局域特性,利用数值方法计算了TM狄拉克局域模,验证了其特性,相关模拟结果与理论分析一致。讨论了蜂窝晶格、Kagome晶格、A7晶格等多种复式晶格光子晶体的狄拉克局域模式,丰富了理论的多样性,为制造优良性能的新型导波器件提供了多种选择。2)微波光子晶体谐振腔的狄拉克局域模式测试。设计了一种包含中心缺陷的二维微波光子晶体,计算了狄拉克频率下的局域模式,解释了这种模式的特殊性质,用实验测量了含缺陷和不含缺陷时光子晶体的透射谱,发现只有当引入缺陷时,狄拉克频率处才会出现谐振峰,峰值的频率不会随入射波方向的改变而改变,由于此测试中不会激发起边缘模式,因此该实验验证了一种局域模式的存在,即狄拉克频率处的局域模。虽然该实验是在微波频率范围内进行的,但根据光子晶体的比例缩放特性,这一结论可以扩展到其他电磁频段。3)金属光子晶体狄拉克局域模式的数值模拟与理论分析。推导了含损耗的金属色散介质光子晶体能带计算方法,该方法可以推广到不含损耗或包含非色散材料的光子晶体等各种简化模型。在微小折射率差近似下分析了TM模式下三角晶格金属光子晶体布里渊区角点处的简并性及其附近的色散特性,研究了光波段TM模式下含缺陷三角晶格金属光子晶体的狄拉克频率局域特性,研究了多种缺陷类型下微波金属光子晶体的TE/TM狄拉克局域特性,所有的理论结果均通过数值模拟进行了验证,理论与仿真具有良好的契合度。通过向金属介质柱光子晶体的背景中填充等离子体,实现了频率可调的狄拉克局域模。尽管金属为色散介质,介电函数依赖电磁波频率,但是通过研究可以发现,由金属介质柱构成的光子晶体谐振腔同样可以支持狄拉克频率局域模,展现出与电介质光子晶体谐振腔一样的性质,这为扩展新型器件的应用扩展提供了帮助。4)光子晶体平板狄拉克局域模式的数值模拟与理论分析。研究了平板模式与普通二维光子晶体模式间的关系,在微小折射率差近似下分析了三角晶格光子晶体平板在布里渊区角点处的简并性及其附近的色散特性,发现了在光子晶体平板中存在类TE模式的狄拉克锥,而这一狄拉克锥可以通过抬升相应二维光子晶体狄拉克锥的频率来获得。分析了平板谐振腔中的狄拉克频率局域特性,讨论了平板厚度对局域模式的影响。光子晶体平板在实际设计、加工、应用中所具有的实用性,将为新型器件的使用提供有力的支持。
冯陆洋[4]（2020）在《可调声子晶体板的非互易性及拓扑特性研究》文中认为最近,声子晶体的非互易性和拓扑特性引起了国内外专家学者的大量关注和研究,它们能极大地增强对声波的操控能力,在振动降噪、声学整流和声通信等领域具有重大的应用前景。在工程实际中,厚度有限的梁板类结构十分常见。相对于非周期方向上无限长的理想声子晶体而言,厚度有限的声子晶体板更接近这些实际结构。但是,声子晶体板的非互易性和拓扑特性却缺乏研究。另外,系统的可调性能极大地增强它们的灵活性和实际适用性,丰富有关声学器件的应用范围。因此,研究可调声子晶体板的非互易性和拓扑特性具有重要的理论意义和现实意义。本文以声子晶体板的基本理论、非互易性理论和拓扑理论等为基础,深入地研究了可调声子晶体板中的非互易性和拓扑特性。结果证明:在声子晶体板中存在非互易性、拓扑界面态和拓扑边缘态,而且这些非互易性和拓扑态具有可调特性。本文的主要研究内容和结果如下:（1）通过平面波展开法对一维可调磁弹性声子晶体板中弹性波的非互易性进行了研究。首先推导了在磁弹性相互作用下一维磁弹性声子晶体板中的自旋波和弹性波的理论,并给出用平面波展开法计算能带的过程。磁弹性波的能带表明,在空间反演对称性和时间反演对称性同时破坏的情况下,一维磁弹性声子晶体板中存在自旋波不对称的色散曲线。由于磁弹性相互作用,自旋波不对称的色散曲线导致了非互易的弹性波,这与非周期结构中的不对称传输的弹性波有明显区别。进一步,我们证明了要实现弹性波的非互易性,空间反演对称性破坏和时间反演对称性破坏缺一不可。此外,在不改变系统结构的情况下,仅改变外部静磁场的值就可以调节非互易弹性波的频率,这使得系统的灵活性得到极大增强。值得注意的是,与以前提出的依据非线性效应和动态分量方式实现的非互易系统不同,新模型是线性静态的弹性系统,具有转换效率高,可微型化和稳定性高等优点。（2）通过有限元方法对一维可调的磁弹性声子晶体板中兰姆波拓扑界面态进行了研究。首先推导了在外部静磁场作用下由磁层和非磁层交替堆叠而构成的一维磁弹性声子晶体板中兰姆波传输的基础理论,并给出了用有限元方法计算能带的过程。能带及其拓扑性质的计算结果表明:仅通过非接触、无损地调节施加在胞间和胞内磁弹性层上的外部磁场值,就能诱导拓扑相变。接着,在拓扑性质不同的两个磁弹性声子晶体板之间的界面处,观察到兰姆波拓扑界面态的存在。另外,通过改变外部磁场,不仅可以切换兰姆波拓扑界面态的存在状态,也可以连续调整兰姆波拓扑界面态的频率。更重要的是,与传统的加工成型之后不可调的拓扑声子晶体不同,在当前的系统中,仅通过改变外部磁场而无需改变结构,就可以实现兰姆波拓扑界面态位置的动态调节。（3）通过有限元方法对二维可调的声子晶体板中兰姆波自旋拓扑边缘态进行了研究。首先我们构建了具有可移动三明治圆柱的声子晶体板,并给出计算相应能带的方法。能带及其拓扑性质的计算结果表明:通过向上或向下移动三明治圆柱可以诱导赝自旋轨道耦合效应,从而导致自旋拓扑相变。接着,在由拓扑性质不同的声子晶体板连接而成的超胞界面处,证明了兰姆波自旋拓扑边缘态的存在。进一步,在全波模拟的结果中,观察到了兰姆波受拓扑保护的单向传输以及兰姆波自旋拓扑边缘态免疫缺陷的鲁棒性。最后,我们证明了系统中兰姆波自旋拓扑边缘态频率和传输路径的动态可调性,这为设计新型可调的功能器件提供了可能。（4）通过有限元方法对二维可调的声子晶体板中多模式同频段兰姆波谷拓扑边缘态进行了研究。首先我们构建了具有可移动三明治柱的声子晶体板。能带及其拓扑性质的计算结果表明:通过选择性移除三明治柱可以诱导谷拓扑相变。接着,在由谷拓扑性质不同的声子晶体板连接而成的超胞界面处,证明了兰姆波谷拓扑边缘态的存在。进一步,在全波模拟的结果中,观察到了兰姆波受拓扑保护的单向传输以及兰姆波谷拓扑边缘态免疫缺陷的鲁棒性。最后,我们证明了系统中兰姆波拓扑传输路径的动态可调性。总之,本文系统地研究了可调声子晶体板的非互易性和拓扑特性,推导了相应的理论和计算方法,并证明了可调的弹性波非互易性和兰姆波拓扑界面态、兰姆波拓扑边缘态。主要的创新点总结如下:1)在外部静磁场作用下的一维线性磁弹性声子晶体板中,首次实现了可调的非互易弹性波,这为设计转换效率高、可微型化和稳定性高的非互易装置提供了重要方案;2)在不改变系统结构而仅通过改变可控的外磁场值情况下,在一维磁弹性声子晶体板上,实现了磁场诱导可调的兰姆波拓扑界面态,而且这种调节是非接触、无损且智能化的;3)提出一个相对简单的可调声子晶体板,实现了兰姆波的自旋拓扑边缘态,而且拓扑传输路径可以动态调节;4)提出了一种可调的声子晶体板,并在这一平台上,实现了多模式同频段兰姆波谷拓扑边缘态和兰姆波传输路径的动态调节,这增强了系统携带声信息的能力和传递信息的安全性,扩大了实际应用范围。本文的研究为实际工程中的振动降噪控制和声功能器件的开发奠定了极其重要的理论基础。
陈亚枫[5]（2020）在《声/光子晶体奇异特性拓扑优化》文中认为声波和光波的调控在国防、航空航天以及医疗等领域有着十分重要的作用。然而普通天然材料在对声波与光波的调控方面存在一定的限制。因此迫切需要可以有效调控声波与光波的人工微结构。声/光子晶体是材料常数周期变化而形成的新型人工复合材料,通过设计它们的单胞微结构,可以展现带隙、单向传输、类狄拉克锥以及拓扑边界态等奇异的特性。利用这些奇异特性可以实现隔振降噪、电磁波屏蔽以及隐身等功能。因此,声/光子晶体可以突破传统材料的限制,在在航空航天、国防及民用生活等领域具有重要的应用价值。声/光子晶体的奇异特性显着依赖于单胞的形状特征。目前设计声/光子晶体的方法主要是经验式猜想设计。为了突破传统启发式经验设计方法不足,探究最优单胞构型,拓扑优化开始被应用于声/光子晶体的单胞设计。当前,声/光子晶体拓扑优化设计主要集中于带隙设计。但传统声/光子晶体带隙拓扑优化方法存在无法控制带隙位置、无法设计偏带隙以及绝对带隙等问题。此外,关于类狄拉克锥以及拓扑绝缘体的拓扑优化设计也暂无系统研究。为此,本文将基于凋落波理论开展声/光子晶体带隙设计,并系统开展光子晶体类狄拉克锥以及拓扑绝缘体的拓扑优化设计,主要内容和结果包括:开发了基于凋落波理论声子晶体拓扑优化方法,对声子晶体面内、面外及绝对带隙模式开展了拓扑优化设计。通过最大化目标频率处的波矢最小虚部,获得了声子晶体面内模式和面外模式在不同特定频率附近的带隙。通过同时最大化目标频率处面内模式和面外模式的波矢最小虚部,设计了具有绝对带隙的声子晶体。通过同时最大化多重频率的波矢最小虚部,设计了具有多重带隙的声子晶体。所提出的方法解决了传统带隙优化方法无法控制带隙位置以及无法获得多重带隙和绝对带隙等问题。提出了基于声子晶体偏带隙的单向传输结构的拓扑优化方法。首先通过拓扑优化最大化ΓX方向波矢最小虚部,同时约束ΓM方向波矢最小虚部为零,设计了声子晶体不同特定频率处的偏带隙。随后将优化后声子晶体置于弯曲矩形波导中组成单向传输结构。全波仿真表明所设计的单向传输结构具有极佳的单向传输性能。建立了光子晶体绝对带隙拓扑优化方法。通过拓扑优化同时将横向电场模式和横向磁场模式波矢最小虚部最大化,获得了在不同特定频率附近具有绝对带隙的新型光子晶体构型。所提出的方法克服了传统方法依赖初始结构、无法控制带隙位置等问题。发展了光子晶体类狄拉克锥拓扑优化方法,通过拓扑优化方法将单极模态和偶极模态激发在相同目标频率处,设计了不同特定频率下横向电场模式和横向磁场模式类狄拉克锥。基于优化的光子晶体结构展示了隐身、波前整形以及隧道效应等零折射率现象。其次设计了在非线性光学领域具有重要应用的三阶狄拉克锥。所有优化的光子晶体都具有平滑边界,容易制造。建立了基于量子自旋霍尔效应的光子拓扑绝缘体拓扑优化方法。首先通过拓扑优化将两个偶极模态和两个单极模态激发在相同目标频率处,设计了具有双狄拉克锥的光子晶体。然后,通过拓扑优化将双狄拉克锥打破,分别将偶极模态激发在四极模态下方和上方设计了平庸和非平庸光子晶体构型。通过将平庸光子晶体和非平庸光子晶体组合并形成边界。获得了具有超宽拓扑边界态的拓扑光子晶体。该方法可以在不改变单胞尺寸下控制拓扑边界态位置,具有重要的实际应用价值。最后,通过全波仿真展示了拓扑光子晶体自旋锁定单向传输以和稳健性传输特性。
陆寰宇[6]（2020）在《1.3微米量子点带边模式光子晶体面发射激光器的理论研究与工艺制备》文中进行了进一步梳理1.3μm波段激光有着在光纤中低损耗且色散小的特点,所以1.3微米垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL）作为一种具有与光纤耦合效率高、调制速率高的低功耗光源,在大数据中心之间的光互联与中心主干网等中短程需要高传输容量的系统中有着不可取代的优势。但是目前所采用的1.3微米波段垂直腔面发射激光器存在着DBR生长难度高、难以高温工作等问题,而采用光子晶体结构以实现面发射的电泵浦激光器虽然可以无需生长DBR但仍然有着输出功率较低的缺点。本论文通过将具有特殊能带结构的光子晶体结构引入量子点面发射激光器中并加入混合腔的设计,制备出了带边模式的光子晶体面发射激光器（Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser,PCSEL）,以达到高温连续激射、降低阈值、提高边模抑制比的目的,并提高输出功率以满足其在实际应用中的条件。本论文主要研究内容和成果如下:1.对光子晶体的特性与光子晶体面发射激光器的谐振与垂直出光原理进行了论述并对如何增强其出光功率做出了讨论。2.对二维光子晶体能带结构的计算方法和光子晶体平带进行了较为详细的介绍和分析。并对实验测量二维光子晶体能带结构的方法进行了论述。3.采用有限元差分法（FDTD）对带边模式光子晶体进行模拟,探究光子晶体各参数对其能带结构的影响并对其能带结构图进行分析,通过调整光子晶体孔径与深度等参数获得在1.3微米波段具有平带奇异点能带结构结构的光子晶体。4.对二维平板光子晶体的制备工艺进中的关键问题行了系统的研究工作,分析了曝光过程中曝光计量以及束流速度对图形的影响,电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺,深刻蚀光子晶体图形的掩膜选择与制备工艺,并提出了一种新的适用于光子晶体图形深刻蚀的复合掩膜的制备方式,达到简化工艺条件提高光子晶体图形精度的目的。5.首次将具有平带奇异点能带结构的光子晶体引入到带边模式的光子晶体面发射激光器的制备中,从理论上证明具有该结构的光子晶体可以通过增加K空间中Γ点附近群速度为零的位置以提高带边模式光子晶体面发射激光器的谐振效率与输出功率。6.将耦合腔结构应用到1.3μm量子点面发射激光器中,通过将FP腔与光子晶体腔相结合限制光子晶体腔的光泄露,增强光子晶体激光器的横向谐振进一步提高出光功率。得到了室温连续电流条件下输出功率达到13mW且单量子点层阈值电流密度为48.9A/cm2,最小半高宽为0.03nm,且在70 C°条件下仍可工作的面发射激光器。并提出使用具有禁带结构的光子晶体作为限制腔,进一步限制泄露提高输出功率。
韩星凯[7]（2020）在《基于带隙和波调控的声子晶体设计》文中指出声子晶体是由两种或多种介质组成的具有弹性波带隙特性的弹性常数及密度周期性分布的人工复合材料或结构。受到声子晶体内部结构的作用,弹性波在声子晶体内部传播时会产生阻止弹性波通过的带隙。利用声子晶体的带隙特性可以有效的控制弹性波的传播,使其在减振降噪、声学器件、微/纳米科技及隐形技术等方面具有广阔的应用前景。因此,通过对声子晶体进行优化和设计得到较宽的带隙或是在关心的频率内获得需要的带隙尤为重要。同时,声子晶体通带频率内一些特定频率对应的弹性波在传播时具有特定的方向性使得声源实现定向传播,利用这一特性可以设计特殊的声子晶体结构来控制弹性波传播。基于以上所述背景,以声子晶体的带隙特性为基础,结合有限元软件Comsol及Matlab编程语言,对声子晶体进行设计,提出相应的带隙机理等效模型。对声子晶体进行拓扑优化来获得宽的相对带隙宽度。同时,利用声子晶体的自准直效应设计了分束装置来对波束进行控制。第一,将孔引入声子板柱形声子晶体中,设计了两种新型的混合型声子晶体板柱结构。与传统的单面柱型或双面柱型声子晶体相比,新设计的含有孔的混合型声子晶体板在低频区域具有较宽的带隙和更好的减振特性,同时减轻了结构重量。研究了结构参数及形状对其带隙的影响规律,根据应变能及特征模态提出计算带隙上下边界频率的理论公式,解释了这种混合型声子晶体的带隙变化机理。第二,针对二组元声子晶体薄板,计算了两种材料弹性模量比处于同一数量级以及不同数量级时的带隙变化规律,讨论了其对称性、填充率对带隙的影响。针对三组元柱形声子晶体,讨论了带隙中平直带的出现条件及变化规律,包覆层半径越大,平直带出现对应的柱子半径范围越大。基于带隙上下边界及平直带对应的纵向、横向以及扭转模态及其应变能密度分布提出了三种等效模型来解释带隙机理,三种等效模型计算的频率误差较小,验证了其有效性。第三,利用遗传优化算法,以声子晶体结构的相对带隙宽度为目标函数,结合平面波展开法对二组元声子晶体薄板及三组元声子晶体进行拓扑优化,对单胞划分后进行材料再填充,根据傅里叶位移特性计算整个单胞的傅里叶系数。研究了填充率、对称性、离散度及材料参数对带隙优化的影响。在此基础上,基于CBR算法对遗传算法进行改进,分别对二组元和三组元声子晶体进行了拓扑优化设计,相对于标准遗传算法,该算法具有更好地收敛性和更快的搜索速度,一定程度上改善了标准遗传算法的性能。最后,基于声子晶体在特定频率处的自准直效应,设计了一种新型的可实现波束控制的模型,利用有限元法计算色散关系和声场仿真。线缺陷的引入使得入射波束分裂为两束:一束沿着原先的方向继续传播为透射波,一束沿与原先方向垂直方向传播为反射波。通过改变缺陷圆柱以及包覆层的半径来调节分束效率。当柱子半径与包覆层半径满足一定条件时,装置可以将入射波束分裂为三束波束。包覆层内的声速对分束效率也有一定影响。并且在存在两个声源情况下,通过调节声源的相位可调节输出波束。
张秋月[8]（2020）在《基于人工超材料的单向传输及其在光子器件中的应用研究》文中提出传统光器件中,背向散射是导致器件性能下降的主要损耗源。人工超材料中存在的可类比量子霍尔态的电磁单向边界态,具有独特的单向传输和完全的背向散射抑制特性,为传统光器件中存在的背向散射损耗问题提供了很好的解决方案。这种理想的光传输性质在光子系统中是前所未有的,其在构建对缺陷免疫的高性能光子器件方面展现了广阔的应用前景。本文的研究内容主要是围绕基于人工超材料的单向传输效应以及这种独特的单向传输效应在光子器件中的应用这两条核心主线进行展开的。一方面是研究了基于磁性光子晶体的单向边界态在谐振腔、慢光波导等光子器件中的应用,另一方面是设计了新型超材料结构,在高频波段实现了电磁波单向传输,并研究了单向传输特性在拓扑谐振腔以及连续可调的功率分配器中的应用。通过理论计算和数值仿真取得的主要研究结果总结如下:（1）为了解决光器件性能易受制造工艺缺陷或环境变化导致的背向散射损耗影响的问题,研究了基于磁性光子晶体的光子晶体环形谐振腔。由于磁性光子晶体中的边界态具有独特的单向传输和完全的背向散射抑制特性,该谐振腔中电磁波是单向旋转的,其旋转方向由垂直于旋转平面的外加磁场方向控制。此外,谐振腔的本征频率分别位于光子晶体的第二个和第三个光子带隙中时,其对应的谐振腔中电磁波的旋转方向相反。谐振腔的品质因子为3.2?106,该值比相同尺寸的传统光子晶体环形谐振腔高一个量级。数值仿真结果显示这种独特的单向旋转特性使其品质因子几乎不受谐振腔中引入缺陷的影响。这一特性使得该器件对制造工艺偏差具有较高的容忍度。（2）为了解决传统通道下路滤波器性能易受波导中缺陷的影响的问题,研究了基于磁性光子晶体的单向下路滤波器。该滤波器由具有单向旋转特性的光子晶体环形谐振腔与两个单向波导耦合构成。与传统的通道下路滤波器中通过控制激发模态对称性和谐振腔与波导之间的相对耦合来选择输出端口的方式不同,该单向通道下路滤波器结构中,通过控制外加磁场的方向即可实现将信号路由到任意预先选定的端口。数值仿真结果显示,共振频率处,两个波导之间的能量转移效率为96.7%,而且该值几乎不受滤波器中引入缺陷的影响。因此,通过级联四端口的滤波器可能实现多通道的设计。该研究结果可用于波分复用及相关集成光子技术中。（3）为了解决光子晶体慢光系统对背向散射特别敏感的问题,研究了基于磁性光子晶体的单向慢光波导。通过优化结构参量和调整外磁场强度,实现了具有较大归一化延时带宽积和低群速度色散的慢光。通过有限元频域和时域数值模拟波导中存在不同类型缺陷或障碍物时电磁波的传输,验证了其对背向散射免疫的特性。与传统的慢光波导相比,该结构不仅具有更高的归一化延时带宽积和更低的群速度色散值,而且对背向散射免疫。（4）为了将单向传输的研究扩展到可见光波段,提出了以等离子体/半导体/旋电超材料为背景材料的光子晶体结构。在垂直于平面方向的外加磁场作用下,光子晶体的块体能带中出现相对宽度约为24%的光子带隙。通过数值计算光子晶体投影能带,理论验证了带隙中边界态的存在。该边界态具有单向传输特性,对各种类型的缺陷和障碍物具有良好的鲁棒性。该边界态位于光锥之外,因此电磁波沿着光子晶体边界自导的单向传输而不需要辅助限制层,而且其传输的方向取决于外加磁场的方向。作为一种可能的应用,设计了一种不受几何形状限制的拓扑腔。该腔只支持顺时针或逆时针方向旋转的电磁波,因此该结构可承受不同角度的弯曲。（5）为了实现利用均匀连续介质将单向传输的研究扩展到太赫兹波段,设计了一种基于介电/磁化半导体交替层结构的双曲旋电超材料。在外加磁场作用下,超材料的等频面分离,出现空间间隙。通过理论计算验证了空间间隙中单向表面模的存在。通过数值仿真电磁波在不规则界面的传输验证了该表面模的单向性和对背向散射免疫的特性。通过将两块相同的超材料结构对接,并施加反向的外加磁场,实现了将单向表面模数量加倍。作为一种可能的应用,设计了基于多表面模的连续可调的功率分配器。
别萌莉[9]（2020）在《等离激元晶体边界态的理论研究》文中研究表明表面等离激元是位于金属与介质界面处的金属表面电子和电磁波耦合的集体振荡模式。得益于其同时继承光子学器件的传输带宽以及速度优势和电子学的微小尺寸优势,表面等离激元在实现高速光电互联以及下一代小型化集成光学回路等方面具有重要的应用前景。等离激元边界态是一种存在于周期性等离激元结构表面或者两个周期性等离激元结构之间的局域模式,利用等离激元边界态可以实现传播表面等离激元的诱捕与电磁场增强,在荧光增强、生物传感和光学非线性等方面具有重要的应用前景。针对片上集成等离激元边界态应用过程中边界态鲁棒性要求以及主动电调控的要求,本论文分别在基于周期性金属-介质-金属波导结构和周期性费米能级调制的石墨烯等离激元波导结构中实现了等离激元边界态。考虑到物理机制的相似性,我们认为这种具有传播带隙的周期性等离激元波导体系也可以被认为是一种特殊的等离激元晶体,通过研究等离激元晶体的能带结构可以设计并优化边界态的性质。本文主要的研究成果如下:（1）在金属-介质-金属波导平台上构造了两个具有不同芯层结构参数的周期性波导结构,类比光子晶体的研究方法详细分析了不同能带的Zak相位,发现在第三个能带处两个周期波导结构具有不同的拓扑相位。若将这两个半无限周期性等离激元波导相连,在两个波导连接位置处可支持一种受拓扑保护的等离激元边界态。针对这种具有固定Zak相位的对称体系,我们发现等离激元单胞可以等效于具有一定相位差的均匀层,将此概念结合传输矩阵方法可以快速对等离激元结构参数进行优化。在实际激发等离激元边界态的过程中,体系中99%以上的入射等离激元能量被局域在等离激元边界态内,而且这个吸收峰的半峰宽（FWHM）仅有24.1 nm。此外,我们设计的等离激元晶体边界态对结构扰动具有鲁棒性。该研究对于理解拓扑边界态的形成以及设计传播等离激元的窄带吸收器具有重要的指导意义。（2）在周期性调制费米能级的石墨烯波导体系中构建了中红外波段等离激元边界态。和在金属等离激元边界态中的情况不同,石墨烯等离激元晶体边界通常需要提供额外边界匹配层来弥补在石墨烯截断位置处发生的异常反射相位,为了精确计算边界匹配层的宽度,我们推广了用于描述单界面石墨烯反射与透射的Wiener-Hopf方法来对体系进行结构优化。发现仅需要两个石墨烯等离激元单胞就可以将99%以上的石墨烯等离激元能量局域在边界态内,整个器件尺寸仅有百纳米长,比自由空间光波长小两个数量级。石墨烯等离激元边界态的激发可以使得等离激元近场增加一个数量级,这种场增强效应对于增强生物分子传感灵敏度具有重要作用。本研究对于设计传播石墨烯等离激元增强器件及其在生化传感等方面的应用具有重要的指导意义。
杨玉婷[10]（2019）在《二维光子晶体的拓扑特性及其奇异传输性质》文中研究说明光子晶体由介电材料在空间中周期排列构成,由于其可以任意操控电磁波的传播因而具有非常重要的应用价值。近些年来,类比于凝聚态物理领域的拓扑绝缘体,模拟电子赝自旋拓宽光子系统的自由度引起了人们极大的研究兴趣。本论文利用二维光子晶体结构,从简单正方晶格光子晶体出发,通过分析不同复杂晶胞光子晶体的能带性质,实现了多种拓扑绝缘体的光学类比。理论研究的同时,在仿真和微波实验中观测到了相应拓扑态的奇异传输性质。本论文的具体内容包含以下几个方面:一、二维光子晶体Zak相位及确定性界面态的研究研究人员已经发现一维光子晶体的能带性质可以用Zak相位来进行描述。Zak相位的不同意味着光子晶体体能带的拓扑性质不同,从而在Zak相位不同的光子晶体界面上一定会存在界面态,即确定性界面态。我们尝试将一维光子晶体的Zak相位理论推广到二维系统。在第二章研究工作中分别设计三种方案,通过调控光子晶体能带,实现二维光子晶体中的确定性界面态。通过操纵界面两侧两个光子晶体的结构参数,使两者的体能带反转并且拥有共同带隙,即发生拓扑相变,那么在它们的界面处就会存在确定性界面态。这也为本论文后面章节研究二维光子晶体中拓扑态的单向传输性质奠定了基础。三种设计方案中我们都通过微波实验观察和证明了确定性界面态的存在和传输性质,并且实验测量与理论模拟结果基本一致。我们还利用具有多条界面态色散的光子晶体设计了光学波导,实现了光学波分复用器的应用,这对未来光通信的发展具有一定意义。二、光学量子自旋霍尔效应的研究类似于电子系统的量子自旋霍尔效应,第三章节工作中我们研究光子系统中的量子自旋霍尔效应。在实验上,我们用介质材料氧化铝圆柱制备的二维光子晶体实现了拓扑时间反演对称下的电磁波单向传输。对蜂窝状光子晶体的晶格结构进行变形,我们引入了光学赝自旋自由度,从而实现了电子Kramers对的光学类比。只需要在实空间调控光子晶体结构并合理选择传统的介质材料,我们设计的光子晶体拓扑界面态可以扩展到可见光波段,促进了未来光子学领域的研究与应用。利用拓扑态的无背散射传输性质,我们还在实验上实现了二维光子晶体拓扑腔。有限尺寸的拓扑腔中会出现离散的回音壁模式。不同与传统的光学微腔,拓扑腔中的回音壁模式对光子晶体腔的形状并不敏感。我们还利用了此拓扑腔设计了光学定向耦合器,希冀这类光学量子自旋霍尔效应平台可以为更多的光学器件设计提供思路。三、光子谷自旋霍尔效应的研究第四章节工作中我们研究了光子晶体中的谷自旋霍尔效应。类比于电子系统中的AB/BA双层石墨烯,二维蜂窝晶格光子晶体也具有拓扑谷输运性质。通过操纵光子晶体蜂窝晶格中介质柱的直径,可以实现动量空间中不等价的能谷。我们用数值仿真观察到了体谷态偏振现象和在两个具有不同谷陈数的光子晶体界面上存在的单向传播的谷界面态。因为谷界面态与体谷态具有相同的光学涡旋指数,我们实现了谷界面态与体谷态偏振的耦合,并设计了光子晶体谷过滤器和谷耦合器。我们的介质光子晶体设计可以为未来研究光学器件的谷自由度提供重要的帮助。其次,我们用微波实验证明拓扑谷输运性质也可以存在于三角晶格光子晶体中。仅需要旋转构成此光子晶体的金属柱就能打破能谷简并。我们设计了与谷涡旋态类似的微波源,成功的选择性激发了光子晶体的体能谷态,并测量到了具有不同谷陈数的两个光子晶体界面上的单向谷拓扑态传输。四、光子晶体拓扑角态的研究光子系统中的量子自旋霍尔效应与谷自旋霍尔效应的物理机制都可以产生拓扑保护的界面态。在第五章工作中,我们研究了这两者的异同之处,从而发现了一类全新的光子晶体拓扑角态的构建机制。量子自旋霍尔效应与谷自旋霍尔效应分别对应对晶格变形和打破子晶格反转对称性,构成（?）型和AB-BA型畴壁。在这两种类型的畴壁上形成没有带隙的拓扑态。但当这两种机制同时存在的时候拓扑态之间会产生带隙,而且在这两类畴壁的交汇处会出现拓扑角态。通过操纵畴壁,我们还研究了拓扑角态之间的耦合。最后我们总结了本论文的研究工作,并简要讨论了下一步的工作方向。在我们的绝大部分工作中,利用低损耗介质材料在微波实验上实现了界面态。仅仅对结构进行缩小,这样的结构完全能被扩展到红外波段甚至是光波段。我们利用拓扑物理知识,设计了各种光学元件来实现对光传输的操控。这一系列工作无论对物理理论的演示还是光学器件的开发都有一定的意义。
二、光子晶体的能带结构及应用前景（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、光子晶体的能带结构及应用前景（论文提纲范文）
（1）1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 高速半导体激光器及其研究状况概述 |
| 1.2.1 高速垂直腔面发射激光器(VCSELs)概述 |
| 1.2.2 高速分布反馈(DFB)激光器概述 |
| 1.2.3 高速量子级联激光器(QCLs)概述 |
| 1.2.4 高速光子晶体激光器(PCLs)概述 |
| 1.2.5 高速半导体激光器的瓶颈及发展趋势 |
| 1.3 光子晶体面发射激光器(PCSELs)研究进展 |
| 1.3.1 大面积相干1.3μm PCSELs |
| 1.3.2 PCSELs的光束模式控制 |
| 1.3.3 PCSELs的光束控制 |
| 1.3.4 高亮度PCSELs |
| 1.4 拓扑光子学 |
| 1.4.1 从拓扑电子学到拓扑光子学 |
| 1.4.2 拓扑光子晶体激光器研究进展 |
| 1.5 涡旋光束 |
| 1.5.1 涡旋光束的发展历程 |
| 1.5.2 涡旋光束光通信原理及优势 |
| 1.5.3 OAM模式的复用与解复用 |
| 1.5.4 OAM编码通信技术 |
| 1.5.5 拓扑涡旋激光器研究进展 |
| 1.6 本论文选题依据及主要研究内容 |
| 第二章 高速光子晶体面发射激光器的理论基础 |
| 2.1 半导体激光器速率方程理论 |
| 2.1.1 量子阱激光器速率方程模型 |
| 2.1.2 量子级联激光器速率方程模型 |
| 2.1.3 量子点激光器速率方程模型 |
| 2.2 半导体激光器的直接调制原理 |
| 2.3 光子晶体面发射激光器(PCSELs)的理论基础 |
| 2.3.1 PCSELs带边激射原理 |
| 2.3.2 PCSELs阈值增益 |
| 2.3.3 PCSELs输出光功率 |
| 2.3.4 PCSELs输出光功率的提高方法 |
| 2.3.5 PCSELs三维耦合波理论 |
| 2.4 Purcell因子和自发辐射因子 |
| 2.5 本章小结 |
| 第三章 拓扑光子学基础 |
| 3.1 拓扑绝缘体与Dirac方程 |
| 3.1.1 Dirac方程和束缚态的解 |
| 3.1.2 修正的Dirac方程与Z2 拓扑不变量 |
| 3.1.3 拓扑不变量与量子相变 |
| 3.1.4 拓扑保护的边界态解 |
| 3.2 拓扑物理中的经典模型 |
| 3.2.1 Su-Schrieffer-Hegger(SSH)模型 |
| 3.2.2 Haldane模型 |
| 3.2.3 Bernevig-Hughes-Zhang(BHZ)模型 |
| 3.3 光子Dirac锥及其相关物理 |
| 3.3.1 光子晶体中的Dirac锥 |
| 3.3.2 Dirac 光局域模 |
| 3.4 二维光子拓扑绝缘体 |
| 3.4.1 光子拓扑绝缘体中的拓扑不变量 |
| 3.4.2 赝时间反转对称性与赝自旋 |
| 3.4.3 二维拓扑保护边缘态 |
| 3.4.4 拓扑光子晶体的k·P模型 |
| 3.4.5 拓扑光子相变机理 |
| 3.5 本章小结 |
| 第四章 1.3μm 高速光子晶体面发射激光器研究 |
| 4.1 双晶格光子晶体谐振腔 |
| 4.1.1 双晶格光子晶体谐振腔的概念 |
| 4.1.2 双晶格光子晶体谐振腔晶格间距的调谐 |
| 4.2 1.3μm高速双晶格光子晶体面发射激光器设计 |
| 4.2.1 异质PCSELs的结构设计 |
| 4.2.2 理论分析 |
| 4.2.3 结论 |
| 4.3 基于Dirac点 1.3μm高速光子晶体面发射激光器的设计 |
| 4.3.1 研究背景 |
| 4.3.2 理论基础 |
| 4.3.3 器件设计 |
| 4.3.4 仿真结果 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 1.3μm 高速拓扑体态面发射激光器研究 |
| 5.1 高速拓扑体态面发射激光器的设计 |
| 5.1.1 二维拓扑光子晶体谐振腔的设计 |
| 5.1.2 仿真结果 |
| 5.2 理论分析 |
| 5.2.1 蜂窝光子晶体的紧束缚模型 |
| 5.2.2 基于赝自旋能带反转分析 |
| 5.2.3 拓扑谐振腔支持的腔模 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 1.3μm 高速 Dirac 涡旋腔面发射激光器研究 |
| 6.1 矢量光束的理论基础 |
| 6.2 Dirac涡旋腔 |
| 6.2.1 对DFB激光器和VCSELs的拓扑理解 |
| 6.2.2 Jackiw-Rossi零模 |
| 6.2.3 Dirac涡旋腔的参数 |
| 6.2.4 Dirac涡旋腔的性质 |
| 6.3 1.3μm 高速 Dirac 涡旋腔面发射激光器的设计 |
| 6.3.1 异质 Dirac 涡旋腔的设计 |
| 6.3.2 仿真结果 |
| 6.4 本章小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 本论文主要完成工作 |
| 7.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
（2）光子晶格中线态和拓扑绝缘体的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 光子晶体 |
| 1.1.1 什么是光子晶体 |
| 1.1.2 光子晶体的分类 |
| 1.1.3 光子晶体的特性及应用 |
| 1.1.4 光子晶体的研究历史 |
| 1.2 平带光子晶格的国内外研究现状 |
| 1.2.1 基于Lieb晶格的平带研究现状 |
| 1.2.2 基于超级蜂巢晶格的平带研究现状 |
| 1.2.3 基于Kagome晶格的平带研究现状 |
| 1.3 光子拓扑绝缘体的国内外研究现状 |
| 1.3.1 光子拓扑绝缘体 |
| 1.3.2 光子拓扑绝缘体的分类 |
| 1.3.3 光子拓扑绝缘体的应用 |
| 1.4 本章小结 |
| 第2章 描述光波传播特性的基本理论 |
| 2.1 薛定谔方程 |
| 2.2 光子晶格传输理论 |
| 2.3 光子晶格能带计算 |
| 2.3.1 平面波展开法 |
| 2.3.2 紧束缚近似法 |
| 2.3.3 时域有限差分法 |
| 2.3.4 传输矩阵法 |
| 2.4 分步傅里叶光束传输法 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 Kagome光子晶格中的平带线态 |
| 3.1 结构设计与理论模型 |
| 3.2 离散模型与仿真 |
| 3.3 连续模型与仿真 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 Kagome晶格中的拓扑边缘态 |
| 4.1 结构设计与理论模型 |
| 4.2 边缘态的提取 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 总结与展望 |
| 5.1 主要工作 |
| 5.2 今后的工作展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
（3）二维及类二维光子晶体在狄拉克频率处的局域特性研究（论文提纲范文）
| 致谢 |
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 二维材料 |
| 1.1.1 二维材料简介 |
| 1.1.2 石墨烯 |
| 1.2 光子晶体 |
| 1.3 狄拉克锥 |
| 1.3.1 二维材料狄拉克锥 |
| 1.3.2 光子晶体狄拉克锥 |
| 1.4 论文的研究内容及结构安排 |
| 2 光子晶体的基本性质与研究方法 |
| 2.1 光子晶体的理论基础 |
| 2.1.1 光子晶体中的波动方程 |
| 2.1.2 比例缩放法则 |
| 2.1.3 时间反演对称性 |
| 2.1.4 模式对称性 |
| 2.2 光子晶体的数值计算方法 |
| 2.2.1 平面波展开法 |
| 2.2.2 时域有限差分法 |
| 3 二维电介质光子晶体的狄拉克局域模式 |
| 3.1 TE偏振狄拉克局域模 |
| 3.1.1 布里渊区角点的简并性 |
| 3.1.2 布里渊区角点附近的线性色散关系 |
| 3.1.3 狄拉克频率处的模式分析 |
| 3.1.4 狄拉克频率处的缺陷局域模 |
| 3.1.5 基模品质因数 |
| 3.1.6 高阶模式 |
| 3.2 TM偏振狄拉克局域模 |
| 3.2.1 TM偏振下光子晶体的狄拉克锥 |
| 3.2.2 TM偏振下光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 3.3 复式晶格光子晶体狄拉克局域模 |
| 3.3.1 蜂窝晶格光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 3.3.2 Kagome晶格光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 3.3.3 A7 晶格光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 3.4 微波光子晶体狄拉克局域模的实验研究 |
| 3.4.1 二维微波光子晶体谐振腔的设计 |
| 3.4.2 实验过程和结果分析 |
| 4 二维金属光子晶体的狄拉克局域模式 |
| 4.1 二维金属光子晶体的能带计算 |
| 4.1.1 TM模式 |
| 4.1.2 TE模式 |
| 4.1.3 二维金属光子晶体能带特征 |
| 4.2 二维金属光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 4.2.1 金属光子晶体中的狄拉克点 |
| 4.2.2 TM偏振下光子晶体的狄拉克频率局域模 |
| 4.3 微波金属光子晶体狄拉克频率局域模的研究 |
| 4.3.1 TM模式 |
| 4.3.2 TE模式 |
| 4.3.3 实验方案 |
| 5 类二维光子晶体平(薄)板的狄拉克局域模式 |
| 5.1 光子晶体平板的能带计算 |
| 5.2 光子晶体平板模式与相应二维光子晶体模式的关系 |
| 5.3 光子晶体平板中的狄拉克频率局域模 |
| 6 总结与展望 |
| 6.1 研究总结 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 攻读博士学位期间的学术活动及成果情况 |
（4）可调声子晶体板的非互易性及拓扑特性研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 物理符号含义对照表 |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 声子晶体的概述 |
| 1.2.1 声子晶体的简介 |
| 1.2.2 声子晶体的计算方法 |
| 1.2.3 声子晶体的应用 |
| 1.2.4 声子晶体板与声子晶体的关系 |
| 1.3 声子晶体的研究进展 |
| 1.3.1 声子晶体的非互易性 |
| 1.3.2 声子晶体的拓扑特性 |
| 1.4 本文的研究目的和主要研究内容 |
| 第2章 一维可调声子晶体板的非互易性 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 模型及理论 |
| 2.2.1 一维声子晶体板的模型 |
| 2.2.2 磁弹性理论 |
| 2.2.3 能带理论 |
| 2.2.4 平面波展开法 |
| 2.3 非互易性 |
| 2.3.1 一维磁弹性声子晶体板的非互易性 |
| 2.3.2 对称性破坏与非互易性 |
| 2.4 非互易性的调节 |
| 2.5 不对成称传输与非互易性 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 一维可调声子晶体板的拓扑界面态 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 模型及理论 |
| 3.2.1 模型 |
| 3.2.2 磁弹性理论 |
| 3.2.3 有限元法 |
| 3.3 能带结构及拓扑特性 |
| 3.4 拓扑界面态及其性质 |
| 3.5 拓扑界面态的可调性 |
| 3.5.1 拓扑界面态存在的可调性 |
| 3.5.2 拓扑界面态频率的可调性 |
| 3.5.3 拓扑界面态位置的可调性 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 二维可调声子晶体板的自旋拓扑边缘态 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 模型及理论 |
| 4.3 能带结构及自旋拓扑相变 |
| 4.4 自旋拓扑边缘态及其性质 |
| 4.5 自旋拓扑边缘态的可调性 |
| 4.5.1 自旋拓扑边缘态频率的可调性 |
| 4.5.2 自旋拓扑边缘态传输路径的可调性 |
| 4.6 本章小结 |
| 第5章 二维可调声子晶体板的谷拓扑边缘态 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 模型及理论 |
| 5.3 能带结构及谷拓扑相变 |
| 5.4 谷拓扑边缘态及其性质 |
| 5.5 谷拓扑边缘态的可调性 |
| 5.6 本章小结 |
| 结论与展望 |
| 参考文献 |
| 附录 攻读博士学位期间发表的论文 |
| 致谢 |
（5）声/光子晶体奇异特性拓扑优化（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 声/光子晶体奇异特性 |
| 1.2.1 声/光子晶体带隙特性 |
| 1.2.2 声子晶体单向传输 |
| 1.2.3 声/光子晶体类狄拉克锥 |
| 1.2.4 声/光拓扑绝缘体 |
| 1.3 声/光子晶体拓扑优化 |
| 1.3.1 光子晶体带隙特性拓扑优化 |
| 1.3.2 光学超材料与超结构拓扑优化 |
| 1.3.3 声子晶体带隙特性拓扑优化 |
| 1.3.4 声学超材料及功能器件拓扑优化 |
| 1.4 本文研究的主要内容 |
| 第2章 声/光子晶体能带计算方法及拓扑优化理论 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 声/光子晶体能带计算方法 |
| 2.2.1 光子晶体能带计算方法 |
| 2.2.2 针对声波的声子晶体能带结构计算方法 |
| 2.2.3 针对弹性波的声子晶体能带结构计算方法 |
| 2.3 拓扑优化方法 |
| 2.3.1 BESO方法基本理论 |
| 2.3.2 具有平滑边界的进化优化方法 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 声子晶体凋落波拓扑优化 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 声子晶体凋落波拓扑优化问题描述 |
| 3.2.1 声子晶体凋落波特性 |
| 3.2.2 拓扑优化问题描述 |
| 3.3 优化结果与讨论 |
| 3.3.1 面外模式 |
| 3.3.2 面内模式 |
| 3.3.3 混合面外与面内模式 |
| 3.3.4 多重带隙优化 |
| 3.4 本章小节 |
| 第4章 声子晶体单向传输拓扑优化设计 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 理论与方法 |
| 4.2.1 基于偏带隙的声学二级管原理 |
| 4.2.2 声子晶体偏带隙中凋落波分析 |
| 4.2.3 拓扑优化问题描述 |
| 4.2.4 数值实施 |
| 4.3 优化结果与讨论 |
| 4.3.1 基于C_(4v)对称性声子晶体的单向传输 |
| 4.3.2 基于无对称性声子晶体的单向传输 |
| 4.4 本章小节 |
| 第5章 光子晶体绝对带隙拓扑优化设计 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 光子晶体绝对带隙拓扑优化问题描述 |
| 5.2.1 光子晶体凋落波特性 |
| 5.2.2 拓扑优化问题描述 |
| 5.3 优化结果与讨论 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 光子晶体类狄拉克锥拓扑优化设计 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 理论与方法 |
| 6.2.1 光子晶体局部密度态描述 |
| 6.2.2 拓扑优化问题描述 |
| 6.2.3 类狄拉克锥拓扑优化 |
| 6.2.4 光子晶体在类狄拉克点处的奇异特性 |
| 6.2.5 扩展的类狄拉克锥优化 |
| 6.3 本章小节 |
| 第7章 光子拓扑绝缘体优化设计 |
| 7.1 引言 |
| 7.2 理论与方法 |
| 7.2.1 基于量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体基本原理 |
| 7.2.2 拓扑优化问题描述 |
| 7.3 本章小结 |
| 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 附录 A 攻读学位期间的研究成果 |
（6）1.3微米量子点带边模式光子晶体面发射激光器的理论研究与工艺制备（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第1章 引言 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 光子晶体概述 |
| 1.2.1 光子晶体简介 |
| 1.2.2 光子晶体类型 |
| 1.2.3 光子晶体研究方法 |
| 1.3 光子晶体特性 |
| 1.3.1 光子禁带 |
| 1.3.2 光子局域 |
| 1.3.3 Purcell效应 |
| 1.3.4 偏振特性 |
| 1.4 光子晶体应用 |
| 1.4.1 光子晶体波导 |
| 1.4.2 光子晶体光纤 |
| 1.4.3 微波天线 |
| 1.4.4 光子晶体超棱镜 |
| 1.4.5 光子晶体激光器 |
| 1.5 本论文主要工作 |
| 第2章 光子晶体带边模式激光器基础 |
| 2.1 带边模式光子晶体激光器基本原理 |
| 2.2 带边模式光子晶体面发射激光器研究进展 |
| 2.3 带边模式光子晶体激光器功率增强方法 |
| 2.3.1 垂直方向加入布拉格反射镜(DBR) |
| 2.3.2 非对称空气孔增强垂直辐射常数 |
| 2.3.3 双晶格光子晶体结构 |
| 2.3.4 耦合腔 |
| 2.3.5 引入拓扑光子晶体 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 光子晶体能带计算与测试 |
| 3.1 光子晶体能带计算 |
| 3.1.1 平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM) |
| 3.1.2 传输矩阵法(Transfer Matrix Methods,TMM) |
| 3.1.3 有限时域差分法 |
| 3.2 FDTD软件模拟 |
| 3.3 能带测试方法 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 光子晶体面发射激光器的制备 |
| 4.1 光子晶体面发射激光器制备工艺流程 |
| 4.2 电子束曝光 |
| 4.2.1 电子束曝光简介 |
| 4.2.2 电子束曝光光刻胶与掩膜制备工艺 |
| 4.2.3 电子束曝光设备的操作与相关问题 |
| 4.3 薄膜生长工艺 |
| 4.4 光刻工艺 |
| 4.5 刻蚀工艺 |
| 4.6 本章小结 |
| 第5章 采用平带结构进行功率增强的PCSEL |
| 5.1 平带理论 |
| 5.1.1 完全平带 |
| 5.1.2 部分平带 |
| 5.2 平带增强功率原理 |
| 5.3 具有平带的耦合腔1.3μm量子点PCSEL测试 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 总结和展望 |
| 6.1 本论文主要完成工作 |
| 6.2 在学期间所取得的主要成果和创新工作 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
（7）基于带隙和波调控的声子晶体设计（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 主要符号表 |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.2 声子晶体研究现状 |
| 1.2.1 声子晶体概念 |
| 1.2.2 带隙机理与特性 |
| 1.2.3 带隙计算方法 |
| 1.2.4 声子晶体其他特性及应用前景 |
| 1.3 声子晶体的拓扑优化 |
| 1.3.1 拓扑优化 |
| 1.3.2 声子晶体优化进展 |
| 1.4 本文的研究目的和内容 |
| 1.4.1 本文的研究目的 |
| 1.4.2 本文的研究内容 |
| 2 混合型声子晶体结构设计及带隙控制机理 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 声子晶体理论与数值研究 |
| 2.2.1 弹性波传播理论 |
| 2.2.2 声子晶体晶格描述 |
| 2.2.3 能带结构和传输特性 |
| 2.3 有限元法计算带隙及传输特性 |
| 2.4 基于对称性的声子晶体设计 |
| 2.4.1 对称性模型 |
| 2.4.2 旋转对称性 |
| 2.4.3 平移对称性 |
| 2.5 混合型声子晶体设计 |
| 2.5.1 模型及计算结果 |
| 2.5.2 混合型声子晶体带隙机理转化 |
| 2.5.3 柱半径及孔半径影响 |
| 2.5.4 柱子和孔形状影响 |
| 2.6 基体开孔的双面柱声子晶体结构 |
| 2.6.1 模型及计算结果 |
| 2.6.2 柱半径影响 |
| 2.6.3 孔半径影响 |
| 2.6.4 柱高度影响 |
| 2.7 本章小结 |
| 3 薄板型声子晶体结构及模型等效 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 二组元声子晶体薄板 |
| 3.2.1 平面波展开法 |
| 3.2.2 二维声子晶体薄板模型 |
| 3.2.3 散射体形状及其填充率影响 |
| 3.2.4 弹性模量比值影响 |
| 3.2.5 密度比影响 |
| 3.3 三组元声子晶体板带隙机理控制 |
| 3.3.1 三组元声子晶体模型 |
| 3.3.2 带隙起始频率 |
| 3.3.3 带隙平直带 |
| 3.3.4 带隙截止频率 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 不同影响因素下的声子晶体拓扑优化设计 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 遗传算法 |
| 4.2.1 遗传机理 |
| 4.2.2 遗传算法的实现 |
| 4.2.3 自适应遗传算法 |
| 4.3 二组元声子晶体薄板优化设计 |
| 4.3.1 二组元声子晶体薄板模型 |
| 4.3.2 填充率主导的拓扑优化 |
| 4.3.3 对称性和离散度主导的拓扑优化 |
| 4.3.4 材料参数主导的拓扑优化 |
| 4.4 三组元声子晶体优化设计 |
| 4.4.1 三组元声子晶体模型 |
| 4.4.2 填充率主导的拓扑优化 |
| 4.4.3 对称性主导的拓扑优化 |
| 4.5 基于CBR算法与遗传算法的声子晶体优化 |
| 4.5.1 CBR算法 |
| 4.5.2 基于CBR算法的初始种群构建 |
| 4.5.3 基于CBR算法的声子晶体优化 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 基于声子晶体线缺陷的波束控制器件设计 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 声子晶体的自准直现象 |
| 5.3 基于二组元声子晶体缺陷的波束控制器件 |
| 5.3.1 理论模型与方法 |
| 5.3.2 基于结构参数的波调控 |
| 5.3.3 基于材料参数的波调控 |
| 5.4 基于三组元声子晶体缺陷的波束控制器件 |
| 5.4.1 理论模型与方法 |
| 5.4.2 单声源下,缺陷对波束调节 |
| 5.4.3 双声源对波束调节 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 创新点摘要 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间科研项目及科研成果 |
| 致谢 |
| 作者简介 |
（8）基于人工超材料的单向传输及其在光子器件中的应用研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景 |
| 1.2 电磁波单向传输的研究进展 |
| 1.3 电磁波单向传输在光子器件中的应用 |
| 1.4 本文的研究内容及创新点 |
| 2 理论基础与数值方法 |
| 2.1 磁性光子晶体中单向传输的理论基础 |
| 2.2 双曲旋电超材料中单向表面波的理论基础 |
| 2.3 有限元法 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 基于磁性光子晶体的单向边界态 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 磁性光子晶体中的单向边界态 |
| 3.3 基于磁性光子晶体的环形谐振腔 |
| 3.4 基于磁性光子晶体的单向通道下路滤波器 |
| 3.5 基于磁性光子晶体的单向慢光波导 |
| 3.6 本章小结 |
| 4 基于等离子体-半导体-旋电超材料的自导的单向边界态 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 等离子体-半导体-旋电超材料 |
| 4.3 体系对称破缺与拓扑带隙 |
| 4.4 基于PSG超材料的光子晶体中自导的单向边界态 |
| 4.5 自导单向边界态的实验验证方案设计 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 基于双曲旋电超材料的单向表面态 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 双曲旋电超材料 |
| 5.3 基于双曲旋电超材料的单向表面态 |
| 5.4 基于多模表面态的可调谐功率分配器 |
| 5.5 单向表面态的实验验证方案设计 |
| 5.6 本章小结 |
| 6 总结和展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 工作展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间发表(提交)论文目录 |
| 附录2 攻读博士学位期间参与的合作项目目录 |
| 附录3 缩略词汇表 |
（9）等离激元晶体边界态的理论研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 等离激元以及等离激元晶体概述 |
| 1.1.1 自由电子气的Drude模型 |
| 1.1.2 金属-电介质-金属结构波导 |
| 1.1.3 石墨烯等离激元波导 |
| 1.1.4 等离激元边界态 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.3 本论文的主要内容 |
| 第2章 拓扑等离激元晶体的边界态 |
| 2.1 结构设计与理论模型 |
| 2.2 传输矩阵方法 |
| 2.3 仿真与结果分析 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 超小模式尺寸的石墨烯等离激元边界态 |
| 3.1 基于石墨烯等离激元的器件设计 |
| 3.2 推广的Wiener-Hopf方法 |
| 3.3 石墨烯等离激元边界态的性质 |
| 3.4 结构周期大小对石墨烯等离激元边界态的影响 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 总结与展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录 |
| 致谢 |
（10）二维光子晶体的拓扑特性及其奇异传输性质（论文提纲范文）
| 中文摘要 |
| Abstract |
| 第一章 序言 |
| 1.1 拓扑及拓扑绝缘体 |
| 1.2 整数量子霍尔效应 |
| 1.3 量子自旋霍尔系统 |
| 1.4 光子晶体的拓扑特性 |
| 1.4.1 二维光子晶体及其应用 |
| 1.4.2 光拓扑绝缘体 |
| 1.5 本文研究内容和章节安排 |
| 本章参考文献 |
| 第二章 二维光子晶体的ZAK相位及确定性界面态的研究 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 一维光子晶体中的确定性界面态 |
| 2.3 二维光子晶体中的确定性界面态 |
| 2.3.1 能带反转光子晶体中的界面态 |
| 2.3.2 二维反转结构光子晶体中的界面态 |
| 2.3.3 二维光子晶体界面态实现多带波导 |
| 2.4 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第三章 光学量子自旋霍尔效应 |
| 3.1 光子晶体中的拓扑界面态 |
| 3.1.1 引言 |
| 3.1.2 光子晶体中拓扑界面态的设计 |
| 3.1.3 光子晶体中拓扑界面态的实验验证 |
| 3.1.4 讨论 |
| 3.2 光子晶体腔中的拓扑回音壁模式 |
| 3.2.1 引言 |
| 3.2.2 回音壁模式的概念 |
| 3.2.3 光子晶体腔中的拓扑回音壁模式设计 |
| 3.2.4 光子晶体腔中拓扑回音壁模式的实验验证 |
| 3.2.5 光子晶体拓扑腔实现光学定向耦合器 |
| 3.3 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第四章 光子谷自旋霍尔效应 |
| 4.1 光子晶体中的拓扑谷输运 |
| 4.1.1 引言 |
| 4.1.2 能谷的概念 |
| 4.1.3 光子晶体中手性的能谷态 |
| 4.1.4 光子晶体实现谷偏振 |
| 4.1.5 光子晶体中的拓扑界面态 |
| 4.1.6 光子晶体实现谷过滤器和谷耦合器 |
| 4.2 光子晶体中拓扑谷输运的实验观测 |
| 4.2.1 引言 |
| 4.2.2 光子晶体拓扑谷输运实验观测 |
| 4.3 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第五章 光子晶体中的拓扑角态 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 光子晶体中拓扑角态的理论模型 |
| 5.3 光子晶体中拓扑角态的实验观测 |
| 5.4 多个拓扑角态之间的耦合 |
| 5.5 本章小结 |
| 本章参考文献 |
| 第六章 总结与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 进一步工作方向 |
| 攻读博士学位期间公开发表的论文及科研成果 |
| 致谢 |
四、光子晶体的能带结构及应用前景（论文参考文献）
- [1]1.3μm高速光子晶体面发射激光器与拓扑面发射激光器研究[D]. 李儒颂. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2021(08)
- [2]光子晶格中线态和拓扑绝缘体的研究[D]. 郭鑫. 太原理工大学, 2021(01)
- [3]二维及类二维光子晶体在狄拉克频率处的局域特性研究[D]. 胡磊. 合肥工业大学, 2021(02)
- [4]可调声子晶体板的非互易性及拓扑特性研究[D]. 冯陆洋. 湖南大学, 2020
- [5]声/光子晶体奇异特性拓扑优化[D]. 陈亚枫. 湖南大学, 2020(02)
- [6]1.3微米量子点带边模式光子晶体面发射激光器的理论研究与工艺制备[D]. 陆寰宇. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2020(08)
- [7]基于带隙和波调控的声子晶体设计[D]. 韩星凯. 大连理工大学, 2020(07)
- [8]基于人工超材料的单向传输及其在光子器件中的应用研究[D]. 张秋月. 华中科技大学, 2020(01)
- [9]等离激元晶体边界态的理论研究[D]. 别萌莉. 信阳师范学院, 2020(07)
- [10]二维光子晶体的拓扑特性及其奇异传输性质[D]. 杨玉婷. 苏州大学, 2019(06)