基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑光子晶体的研究

摘要

随着量子霍尔效应在固体物理中的深入研究，人们对一类具有非平庸特性的新型材料——拓扑绝缘体产生了极大的兴趣。与此同时，人工超材料的发展也让可以产生单向传播边缘态且抗反射的拓扑光子晶体有了广泛的关注。本文的工作主要阐述拓扑边缘态的产生原理、设计、仿真、数值分析和实验验证，主要内容如下:　　1.对太赫兹技术的发展历程和应用做了简要介绍，并给出了光子晶体的概念，详细阐述了拓扑从凝聚态物理延伸到光子学的发展过程。其中，着重叙述了凝聚态物理中的量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的产生机理和发展进程，光子学中光学量子霍尔效应和光学量子自旋霍尔效应的产生机理和发展进程。推导了光子晶体本征频率的计算公式，并讨论了光子晶体理论研究的四种方法。　　2.通过打破空间反演对称性，构建了一种基于光学量子自旋霍尔效应的太赫兹拓扑光子晶体。当扩展或压缩六角蜂窝状晶格时，打破位于布里渊区中心Γ点处Dirac简并进而实现拓扑光子能隙结构，将具有相反拓扑特性光子晶体摆放在一起，可在它们的交界面实现受拓扑保护的单向传播边缘态。叙述了光子晶体样品加工所需的光刻工艺的基本知识和工艺流程，并首次在太赫兹波段实验表征了该拓扑光子晶体的反射谱特性，发现扩展和压缩六角蜂窝状晶格获得的拓扑光子晶体的反射谷频率分别对应他们各自本征态p±在Г点处的频率，由此可得知光子能隙的宽度，可为拓扑光子晶体的验证提供了新的手段。　　3.提出一个工作频率在太赫兹波段的金属椭圆柱型拓扑光子晶体，与上一章的圆柱型拓扑光子晶体相比，增加了椭圆柱的旋向自由度，使此拓扑光子晶体拥有更多的自由度，更大的操作带宽和更灵活的可调谐性。通过同时变形六边形蜂窝状晶格和调整椭圆柱的旋向，可以实现平庸结构和拓扑结构之间的多重拓扑转换，在平庸和非平庸结构之间的界面产生沿锐角单向传播的拓扑边缘态，具有对缺陷免疫和抗反射的强鲁棒性。

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