[發明專利]一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法

有效

• 申請號: 202011103370.X
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112257243B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 任群;辛明;劉志成;姚翔;王童
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01S3/30
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

1.一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)從BHZ即Bernevig-Hughes-Zhang模型入手，通過調整哈密頓的微擾項，得到角態對應的拓撲相即拓撲角態；根據Jackiw-Rebbi理論，拓撲角態處將會形成一個零能量束縛態，由此進一步確定拉曼拓撲系統的幾何構型、帶隙位置及本征能級；

(2)基于拓撲光子晶體幾何結構，在經典電磁學的背景下，建立拉曼非線性耦合波方程，從而使拓撲腔滿足準相位匹配；并從拉曼非線性極化強度出發，描述耦合模理論中的非線性部分，拉曼極化非線性波動方程為：

最右邊的非線性極化項可視為一個波源，導致了拉曼效應的產生；其中，拉曼極化率P_R用公式表示為

穩態下的拉曼耦合波方程經推導，可用公式表示為

其中，E-電場強度，u₀-真空磁導率，ε-介電常數，t-時間，P_R-拉曼極化強度，ω_s-斯托克斯模式下的頻率，ω_p-泵浦模式下的頻率，χ_R⁽³⁾-拉曼極化率；基于以上推導公式，將瞬時與穩態的拉曼非線性耦合波方程代入能帶結構的仿真計算中，使泵浦與拉曼兩種共振模式的相位差Δk＝0，求出相位匹配下的拓撲角態，進而求得拉曼轉化率；

(3)進行多角態模式匹配，除了最近鄰晶格之間的耦合作用外，非最近鄰晶格間的長程耦合作用會導致邊界態的能級分裂，產生其他角態，具體如下：

(301)描述最近鄰和次近鄰晶格間相互作用的哈密頓量；

(302)通過簡并微擾理論，由一級微擾確定零級近似波函數和一級能量修正，其中，微擾項采用與胞內耦合系數和次近鄰耦合系數成正比的哈密頓矩陣，一級拓撲態能量修正從該微擾項的本征值中求得；

(303)利用與步驟(2)的耦合模分析方法，將若干個拓撲角態耦合起來，實現若干種角態之間的模式匹配；

(4)拓撲角態的三維推廣和實驗測量；將理想的二維空間下的拉曼拓撲系統模型設計為三維空間下的拉曼拓撲系統模型，進而分析相應的拓撲性質；通過重新定義三維空間下的第一布里淵區及其對應的高對稱點，分別求出三維光子晶體能帶結構的對應掃描波矢k，并將三維空間下的拉曼拓撲系統模型用于平面波展開法進行仿真模擬。

2.根據權利要求1所述一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法，其特征在于，步驟(301)中最近鄰和次近鄰晶格間相互作用的哈密頓量用矩陣分別表示為：

其中，C₀表示胞內耦合系數，C_XXX表示次近鄰耦合系數，k_x和k_y均為相位矢量；此時拉曼拓撲系統的哈密頓量為通過求解特征值方程得共振模式E(k_x,k_y)的色散關系以及新拓撲態的性質；除了次近鄰晶格間耦合之外，還能用最近鄰和次近鄰晶格束縛方法嚴格計算整個拉曼拓撲系統的哈密頓量，將所有晶格間的相互作用考慮在內，并與原始值進行分析比較。

3.根據權利要求1所述一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法，其特征在于，步驟(4)中，采用實驗測試裝置，利用中心角頻率ω_p的脈沖激光對系統進行光泵浦；選擇顯微鏡物鏡，將泵浦光聚焦到光子晶體拓撲邊界上，然后收集樣品的輸出光；泵浦光與樣品的對準通過兩個級聯的4f成像系統在紅外攝影機上觀察樣品的表面成像來實現；利用帶阻濾波器過濾出頻率為ω_s的拉曼光；拉曼光的強度和光譜細節分別通過InGaAs光電探測器與高分辨率的光譜儀測量。