集成光学系统通道和光子晶体光波导器件及矢量光束转换超表面研究.pdfVIP

目录

摘要III

AbstractV

第一章绪论1

1.1飞秒激光直写光波导结构1

1.1.1光波导结构1

1.1.2飞秒激光直写技术2

1.1.3稀土离子的上转换发光4

1.2超表面及矢量光束5

1.2.1超表面的概念及分类5

1.2.2矢量光场及其表示方法8

1.3光子晶体、拓扑光子学10

1.3.1光子晶体10

1.3.2拓扑光子学12

1.4本论文的主要研究内容及安排17

第二章基于飞秒激光直写铒镱共掺杂磷酸盐玻璃的上转换发光包层光波导光源19

2.1研究内容20

2.1.1制备过程20

2.1.2波导特性测量21

2.1.3波导上转换研究21

2.1.4波导损耗计算22

2.1.5光波导折射率重构分析22

2.2结果与讨论22

2.3小结25

第三章基于纳米缝对的可实现任意杂化阶庞加莱矢量光束的超表面27

3.1基本原理27

3.2理论模拟及FDTD数值模拟30

3.3实验验证31

3.3.1实验装置31

3.3.2结果与讨论32

3.4小结35

第四章基于光量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体光波导37

4.1研究方法与研究内容37

4.1.1光子晶体的研究方法37

4.1.2哈密顿量与自旋陈数39

4.2TM偏振模式下蜂窝状光子晶体的拓扑相变和拓扑光子晶体光波导40

4.3小结43

第五章总结与展望45

5.1主要工作总结45

5.2下一步的工作展望46

参考文献47

攻读硕士学位期间发表的学术论文61

致谢63

摘要

上个世纪60年代末，美国贝尔实验室的Miller博士首次提出“集成光学”的设计概

念开始，光学系统从透镜等光学元件，逐渐研发到全光纤光学系统和基于微纳加工的光

学芯片。光路小型化、集成化发展，极大推动了以“光”作为主要载体和对象的相关技

术发展，比如说高速光通信、光探测、光传感等，造就了一批代表现代技术发展前沿的

技术领域和产品，包括机器视觉、自动驾驶、物联网等，并促进人类文明飞速进步。

在一个完整的集成光学系统中，最基本的光学元件是光波导。光波导可以在集成光

学系统甚至是高度集成的芯片化系统中构建出限制和引导光传输的光通道，并实现功能

化和器件化。通常光波导的构建方法与光纤类似，通过折射率较低的区域包覆折射率较

高区域的结构构成，通常具有几百纳米到几百微米的截面尺寸。光波导的构筑加工方法

也随着微纳加工工艺发展而变化，常用的加工方法包括离子注入、离子扩散、机械切

割、激光直写等方法，构筑的几何结构也分成脊型、平面型和包层型。

随着光束传输理论的发展，光子晶体、拓扑光学、超表面理论和技术被提出并发

展，集成光学器件设计从传统的折射率结构设计方式演化成为拓扑结构设计或者叫广义

的折射率结构设计。随着半导体加工的CMOS集成工艺发展，具有亚波长结构的光子晶

体、超表面技术、人工晶体结构也逐渐完善，从而实现了由各种类型光波导、光学衍射

器件构成的复杂光子芯片系统。

本论文的主要研究对象是集成光学系统的器件，包括通道型光波导、拓扑光子晶体

光波导和矢量光束转换超表面器件。研究内容包括飞秒激光加工制备光波导及上转换光

源研究，超表面矢量光束生成衍射器件，拓扑光子晶体设计及原理研究。根据研究器件

的不同，本论文工作可以归纳为以下几个部分：

第一章全面综述了飞秒激光加工