[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

本發明公開一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法，包括以下步驟：(1)從BHZ(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；(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；(4)拓撲角態的三維推廣和實驗測量。

技術領域

本發明涉及非線性光學領域，特別是涉及一種面向高度集成化的拉曼高階拓撲激光源設計方法。

背景技術

拉曼激光技術因其直接、準確、無損檢測等優點，在醫療、醫藥及痕量物質檢測等領域中均有重要應用。

近年來，隨著工業產業的轉型升級，醫療診斷、醫藥檢測等領域正在開啟智能化、便攜化、大數據和數字化時代，諸如一體式監護儀、掌上檢測儀等輕便醫用器械應運而生。拉曼激光檢測技術面向智能、便攜、集成化的方向發展也成為大勢所趨。

由于大數據和智能化技術對系統內信息處理速度、數據計算速度的要求非常之高，因此要求系統中每一個元件均具備高集成性與穩定魯棒性，以確保各路光電數據信息傳輸、處理環節保持高速高效。然而，目前傳統拉曼光源受其內在物理機理的制約，抗干擾、抗散射的能力有限，影響系統的高集成性，從而很難在集成智能化方向取得關鍵性突破[1]。

其中，主要存在兩大技術瓶頸長期制約著拉曼系統的高集成性：

材料中自由載流子吸收所引起的非線性光學損耗、光子器件制備中缺陷和無序產生的強烈散射損耗，以及泵浦和斯托克斯光場力引起的周圍氣體密度和折射率的微擾[2]，抑制了受激拉曼散射效率和光輸出性能，以致影響整個系統的高集成性能。

在低損耗前提下，拉曼光源若要大幅度提升拉曼增益，其代價是犧牲系統信號的帶寬[3]。這種內在帶寬限制嚴重阻礙了拉曼光源在未來大規模光子集成回路中的廣泛應用。而如何在超低損耗、超高非線性效率的前提條件下，找到高拉曼增益與大帶寬之間的平衡，也是拉曼工程的一大技術難題。

基于以上兩大技術難題，如何從物理根源出發，設計一個新型拉曼光源，使其滿足低損耗的同時，易于高度集成，并對雜質、擾動、缺陷等工藝上難以避免的問題形成免疫，已成為非線性光學領域的一個極具研究價值和實際工程意義的科學問題。

受到近年興起的拓撲光子學的啟發：拓撲結構只關注物體之間的位置關系而不考慮其大小和形狀，局部參量的空間變化不會影響該空間的全局性質[4-5]。因此，拓撲保護下的光子態對設備微調和誤差有很高的容忍度，系統的魯棒性和穩定性將顯著增強，從而易于集成應用到智能化系統之中[6-7]。

在拓撲體態、拓撲邊態以及拓撲角態這三種拓撲邊界形態中，拓撲角態使光能定位在某個子晶格上，從而可以自然引入一個體積小、Q值高的穩定納米光腔[8-13]。盡管拓撲高階角態在線性聲子晶體及光波導陣列中均有相關研究，但利用高階拓撲對非線性光學材料的研究目前在國內外均沒有相關報道。

近十年來，為了不斷提高拉曼光源性能、降低其設備的尺寸和成本，人們對拉曼激光的相關研究取得了一系列進展[14-19]：

2013年，日本大阪府立大學Y.Takahashi等研究人員利用異質結實現了低閾值的拉曼激光腔[14]。為了提高拉曼激光的帶寬及其可調性能，2015年，哈佛大學P.Latawiec等研究人員研制出金剛石寬帶可調諧的片上拉曼激光器[15]，為拉曼光源的可集成性能研究提供了良好理論基礎。然而，截至當時，國際上所報道的拉曼激光均存在非線性效率偏低的問題，因而有關提高拉曼轉化率的研究隨后應運而生。