[發明專利]基于磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構的光學拓撲轉換方法及系統

有效

• 申請號: 202111648512.5
• 申請日: 2021-12-30
• 公開（公告）號: CN114296156B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 曾然;蘭陽;黃宇航;徐靜俏;李浩珍;楊淑娜;李齊良
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02F1/00;H01Q15/00;G16C60/00
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 冷紅梅

本發明涉及基于磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構的光學拓撲轉換方法及系統，其中，光學拓撲轉換方法，包括以下步驟：(1)建立磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構模型；(2)分析并計算復合層狀周期結構的介電張量；(3)計算并確定復合層狀周期結構中磁場和電場表達式以及對應邊界條件；(4)計算復合層狀周期結構的傳輸矩陣；(5)由Bloch定理導出無限周期結構的色散關系方程；(6)基于色散關系方程，調節外加磁場得到等頻面的變化，實現光學拓撲轉換。本發明不局限于現有的金屬?電介質傳統雙曲材料，拓寬了材料選擇的范圍，選擇了色散雙曲特性更加明顯的材料結構組成方式，更容易能夠實現光學拓撲轉換，分析新的拓撲結構特性。

技術領域

本發明屬于光電信息領域，具體涉及基于磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構的光學拓撲轉換方法及系統。

背景技術

隨著納米制造技術和表征技術的發展，光學超材料越來越受到人們的關注。其中，一類高度各向異性的超材料呈現雙曲型色散，導致光的傳播行為發生了巨大的變化。電磁波在材料中的傳播是由介電張量和磁導率張量共同定義，控制介電常數和磁導率便能對任意偏振和非偏振光的色散進行完全的調節。此外，通過對介質介電常數和磁導率的控制，可以針對性設計材料的色散和阻抗，特別是實現雙曲材料和自由空間之間的阻抗匹配。阻抗匹配可防止界面處的任何光反射，并允許有效的光耦合。

但近年來，主要聚焦于常見的金屬-電介質構成的雙曲材料，對于使用其他人造超材料等不同的層狀結構以及考慮耗散存在等情況下等頻面拓撲結構的轉換研究還有待開發。

發明內容

基于現有技術中存在的上述不足，本發明的目的是提供基于磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構的光學拓撲轉換方法及系統，具體使用一種新型的材料結構即使用電各向異性的石墨烯薄層和磁光材料來構造層狀周期材料，通過調節外加磁場強度、各向異性材料層在晶胞中的厚度比等，實現光學拓撲轉換，分析其雙曲色散特性。

為了達到上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

基于磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構的光學拓撲轉換方法，包括以下步驟：

(1)建立磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構模型；

(2)分析并計算復合層狀周期結構的介電張量；

(3)計算并確定復合層狀周期結構中磁場和電場表達式以及對應邊界條件；

(4)計算復合層狀周期結構的傳輸矩陣；

(5)由Bloch定理導出無限周期結構的色散關系方程；

(6)基于色散關系方程，調節外加磁場得到等頻面的變化，實現光學拓撲轉換。

作為優選方案，所述步驟(1)中，建立的磁光材料與石墨烯復合層狀周期結構模型為：磁光材料層與石墨烯層交替排列的層狀周期結構；

其中，磁光材料層的厚度為d₁，磁導率為μ₁，介電常數切向分量用ε_MO表征，ε_z1為介電常數在z方向分量；石墨烯層的厚度為d₂，磁導率為μ₂，介電常數切向分量ε_Gr，ε_z2為介電常數z方向分量，層狀周期結構的單位晶胞厚度為h＝d₁+d₂；真空中介電常數為ε₀。ω_p為等離子體頻率，ω_p＝7.85×10¹¹Hz，z軸為層疊加的方向，磁光材料光軸與z軸重合，即外加磁場方向為z軸。

作為優選方案，所述步驟(2)中，磁光材料的介電張量為：

石墨烯材料的介電張量為：