基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于铌酸锂电压调控的拓扑边界态及谐频产生的装置。将铌酸锂按照特定的间隔周期在自由空间中进行有序排列。通过在铌酸锂左右两侧分别加正、负电压，利用电光调制效应，可以使铌酸锂材料的折射率发生改变。与之前研究不同的是，非线性光学效应的增强是由于拓扑结构在边界具有强的局域场。另外，此结构产生的拓扑边界态成等差数列均匀分布，这就意味着当基频光处于其中一个边界模式时，谐频光也处于拓扑边界态的模式，这便使得所有产生的谐频光对结构中的杂质或缺陷免疫并且没有背向散射，结构受拓扑保护。这种基于拓扑保护态的非线性光学效应，为高次谐波产生和其他非线性光学效应的生成提供了一种新的途径。途径。途径。

【技术实现步骤摘要】
基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置


[0001]具体本专利技术涉及非线性拓扑光子学领域。尤其是一种基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置。

技术介绍

[0002]近年来，光学拓扑结构的提出引起了人们浓厚的研究兴趣。光学拓扑的概念来源于拓扑绝缘体，它是一种体绝缘，表面导电的结构。该结构的拓扑性质由体结构决定，具有对结构的杂质和缺陷免疫的独特性质，被应用在诸多的光学研究中，例如，激光腔、光栅、超表面和波导结构等。拓扑结构在光学中的应用使得光可以以任意角度拐弯或者绕过障碍物传输，并且抑制了背向散射，降低了热损耗，极大地提高了光的传输效率。受拓扑保护的能带特性和各种新颖的光学现象进一步促进了拓扑光子晶体领域的发展。拓扑光子晶体最重要的特征是每条能带上具有独特的拓扑相位，它支持拓扑边界或表面的强局域场，以及受结构系统所保护的性质。而受拓扑保护边界态的传输也使得不同的光学系统得到了更广泛的研究，例如谐振腔、波导、等离子体晶体和超材料等。
[0003]直到现在，大多数对于拓扑绝缘体的研究只仅限于线性光学系统，但将非线性光学与拓扑光子学相结合是一个值得关注的研究方向。首先，拓扑结构中的拓扑相位在非线性系光学统中可以被外界强的光场所调控，这样的现象与受系统本身所决定的固有的拓扑相位不同。其次，在拓扑边界处强的局域场以及受拓扑保护的性质被用于增强非线性光学效应，用来产生二次和三次谐波。相关的研究表明在非线性光学拓扑结构中产生谐波的生成效率与以往在非拓扑结构中的相比，提高了三个数量级。尽管谐波转换效率得到了增强，但以往研究中的谐波大多数不处于拓扑边界态的位置，所以产生的谐波是不具有拓扑保护性质的，不能对结构生产过程中引起的杂质和缺陷免疫。
[0004]铌酸锂作为一种具有电光效应、声光效应和非线性光学效应等的多功能材料，且具有420nm到5200nm的宽透明范围被广泛应用于集成光学领域中。铌酸锂材料因其具有比较大的二阶非线性光学系数，也被用来产生非线性谐频信号，非线性谐频技术也成为了扩展频率窗口的重要手段。本专利同时利用铌酸锂材料的电光效应和非线性光学效应，通过外加电压改变结构的拓扑相位，使结构产生拓扑边界态。再经过调节铌酸锂结构的宽度，使谐频信号也处于拓扑边界态的位置。与以往研究不同的是，本专利生成的拓扑边界态都是等间隔均匀分布的，这便使得受拓扑保护的高次谐频的产生成为可能。
[0005]将非线性光学与拓扑光子学相结合的非线性拓扑光子学研究正处于起步阶段，基于此，将拓扑结构和非线性光学结构结合起来进行研究是非常有意义且是必要的。

技术实现思路

[0006]技术问题：针对上述问题，本专利技术提出了一种基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置。本专利技术结合了一维拓扑结构和铌酸锂材料的电光效应和非线性光学效应。利用铌酸锂的电光效应，通过在结构的两边分别加正负电压实现了拓扑相位的反转，导
致了拓扑边界态的产生。所有的拓扑边界态都成等差数列分布。另外，又利用了铌酸锂晶体的非线性光学效应，当激光入射时，除了基频之外，也会有谐频的产生，并且谐波也是具有拓扑保护的性质的，故此产生了受拓扑保护的谐频光。
[0007]技术方案：为了达到上述目的，本专利技术采用一种基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，所述的装置为铌酸锂晶体在空气中按一定间距周期性进行排放所组成。周期数为14，在所述的左边7个周期的铌酸锂晶体上下加正电压，右边7个周期的铌酸锂晶体上下加负电压。入射光源为飞秒脉冲激光，从最左侧入射。
[0008]本专利技术选用的光源(下同)是光强为20GW/cm2的飞秒脉冲激光。
[0009]本专利技术选用的铌酸锂为x
‑
切割，晶体c轴平行与z轴的单轴晶体。
[0010]本专利技术选用的左边7个周期的铌酸锂晶体的宽度各为da＝0.632μm,左边七个周期的空气层的宽度各为db＝0.684μm。
[0011]本专利技术选用的右边7个周期的铌酸锂晶体的宽度各为da1＝0.644μm,右边七个周期的空气层的宽度各为db1＝0.696μm。
[0012]本专利技术选用的铌酸锂材料的线性折射率为ε
xx
＝ε
yy
＝4.97，ε
zz
＝4.67。其电光系数为62pm/V。二阶非线性光学系数为168pm/V。
[0013]本专利技术选用的波为TM(E
z
,H
x
,H
y
)模式的波，其传播方向沿着x轴。
[0014]本专利技术选用的边界是加正电压的铌酸锂和加负电压的铌酸锂组成的界面。
[0015]有益效果：该专利技术将拓扑光子学和非线性光学结合起来，利用铌酸锂材料的电光效应和二阶非线性光学效应，来动态调控结构两边的拓扑相位，使场强主要集中两种结构的边界，并且在强激光下产生谐频。该技术使得基频和谐频光都具有拓扑保护的性质，并且不需要相位匹配技术，使光的传输能够对结构的缺陷和杂质免疫。该技术在光集成、具有鲁棒性的可重构回路、以及增强的非线性光学效应等方面都具有应用价值。相对于现有技术，本专利技术的优点如下：
[0016](1)本专利技术提出的基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，能够产生受拓扑保护的谐频波。利用铌酸锂材料的电光效应和非线性光学效应两个调制手段，能够动态地调控材料的折射率和非线性光学效应。
[0017](2)本方法通过改变结构两边的电压的符号，使两边的折射率分布差值变大，最终形成加正电压的结构和加负电压的结构拓扑相位反转，在两者的边界形成拓扑边界态。拓扑边界态使得边界处的场得到增强，而非线性光学效应和场强有关，这便有效增强了非线性光学效应。
[0018](3)一般在太赫兹波段的谐波产生装置对光传输时的缺陷和杂质不免疫，而本装置所产生的谐波因为处于拓扑边界态，所以光在传输的过程中是受拓扑保护的，它能够对结构中的缺陷和杂质免疫，不产生背向散射，这大大增强了光的传输效率。
附图说明
[0019]图1为本专利技术提供的一种基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置图。
[0020]其中：矩形长方体为铌酸锂，左边加正电压的宽度为db,右边加负电压的宽度为db1，相邻铌酸锂之间的介质为空气，左右两边的空气宽度分别为da和da1。左边宽度为da的空气和db宽度的铌酸锂为一个周期，周期为a。右边宽度为da1的空气和db1宽度的铌酸锂为
一个周期，周期为a1。标在铌酸锂上面的“+”表示在铌酸锂的上下方向也就是y轴方向加正电压，标在铌酸锂上面的
“‑”
表示在铌酸锂的上下方向负电压。
[0021]图2(a)为铌酸锂加正电压时的能带图，(b)为铌酸锂加负电压时的能带图。横坐标表示x方向的波矢，纵坐标为光的频率。在每条能带上分别标注了各自的Zak相位。灰色的矩形和黑色的矩形分别表示不同的拓扑带隙。(a)，(b)中的插图为
④
带隙椭圆的虚线部分的放大的图形。
[0022]图3为14个周期结构左边7个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，其特征在于，该装置左侧为入射端，右侧为出射端，装置结构为电光材料按设定间距周期排列组成。2.根据权利要求1所述的基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，其特征在于所述电光材料为长方体结构的铌酸锂材料，结构为在自由空间中按设定间距周期排列的长方体铌酸锂材料。3.根据权利要求2所述的基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，其特征在于所述装置结构，在左半边铌酸锂上下加正电压，右半边铌酸锂上下加负电压。4.根据权利要求3所述的基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，其特征在于所述装置结构加正电压的周期的长度为a，加负电压的周期的长度为a1，周期长度与入射光的频率成反比，周期长度以μm为单位，对应的本征波长在铌酸锂具有的420nm到5200nm的宽透明范围内，周期为6
‑
9。5.根据权利要求1所述的基于电压调节的拓扑边界态调控及谐频产生的装置，其特征在于，所述装置结构左边为飞秒激光器，能够激发铌酸锂材料的二阶非线性光学效应。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾兵，李小雪，芮光浩，崔一平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：