本发明涉及拓扑态、光子晶体与非线性光学领域，具体涉及一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，可应用于要求弱光高透过率和强光高衰减率的非线性激光限幅场合。
背景技术：
由于激光在亮度、单色性、方向性和单色性多个方面有着很好的性能，激光广泛用于工业、医疗、军事等领域。但是高强度的激光会对人眼和各类光学探测器造成不可逆的损伤，例如调q激光器很容易达到mw/cm2量级的高功率密度，所以需要对强激光进行限幅。而功率相对较弱的激光又可作为信号探测光不需限幅，故使激光防护结构具备非线性特性有重要意义。目前激光防护的方法主要是基于线性光学、非线性光学和热致相变原理。其中，基于线性光学效应的限幅方法只对某个波段有作用，而无法根据激光的强度动态地调控激光，无法同时满足弱光高透过、强光高衰减的要求。而基于非线性光学原理的限幅方法从根本上克服了这些不足，非线性光学效应主要包括非线性吸收、非线性折射、非线性反射和非线性散射。反饱和吸收是基于非线性吸收光限幅领域中常用的防护手段，但是由于材料的吸收系数一般较小，限制了其在激光限幅中的应用。而基于非线性反射的限幅结构对入射角的范围有一定限制。非线性散射多发生在液体介质中，但由于液体对外界环境的变化相对敏感，限幅效果会受到较大的影响。此外，利用热致相变原理进行限幅的方法也很多，典型的相变材料如vo2薄膜，然而由于其相变时间较长，无法满足对脉冲激光实时响应的要求。
已有的基于一维光子晶体带隙反射的yag激光防护镜设计，属于线性激光限幅范畴，这种方法不能根据激光的强度动态地控制激光强度。目前已有的几种基于光子晶体限幅的方法中，利用缺陷态限幅的一维光子晶体结构，其透过率峰会发生频移，限幅效果不够稳定；利用光子晶体介质层的介观压光效应实现的可调谐滤波器，有灵敏度不高的问题；通过调整入射光角度来实现滤波器可调谐功能的方法，对方位角控制精度要求高。此外，在实际生产和应用的过程中，这几种方法的实际线性透过率极易受到杂质和缺陷散射的影响。li等人研究了一种基于光学非线性拓扑相位翻转的一维非线性光子晶体，该设计是基于拓扑相变来实现光在光子晶体内的单向传输，其初始结构左右两侧光子晶体的拓扑性质相同，波长为1540nm的光从正向入射时，透过率为75％；而从反向入射时透过率为1.6％。其功能上类似一个二极管，不能实现对弱光下的高透过率和强光下的高衰减率。申家岭等人研究基于双缺陷一维光子晶体的非线性激光限幅方法，该限幅方案的结构为(ab)6cac(ab)6，a和b为线性介质，折射率不随光强改变，c为缺陷层，是一种具有非线性折射率的介电材料。其限幅的原理是光强在增加的过程中，缺陷层非线性介质的折射率发生改变，当非线性介质的折射率增大/减小时，缺陷模的位置就会向低频/高频移动从而实现限幅，非线性限幅的原理不涉及光子晶体的拓扑性质。
为了解决现有技术存在的缺陷，本发明设计一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构。拓扑界面态是一种可以控制光子传输的新方法，其可以保护光子的传输不受杂质和缺陷散射的影响。因此我们通过控制光子晶体的能带结构来控制拓扑界面态的产生与消失，来实现弱光的高透过和强光的高衰减。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，可以实现对弱光下的高透过率和强光下的高衰减率，通过选取合适的材料以及调整厚度参数，该结构可应用于不同波长的激光限幅。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，所述的一维光子晶体限幅结构由四种介质按一定顺序周期性排列的光子晶体构成，设四种介质分别为a、b、c和d，则光子晶体结构为(a0.5ba0.5)n(c0.5dc0.5)n，介质a和b为非线性光学材料，构成光子晶体左侧部分，介质c和d为线性光学材料，构成光子晶体右侧部分，下标0.5表示介质基本单元的一半，n表示光子晶体结构的周期数，n的范围是1～200；所述的光子晶体左侧部分与光子右晶体左侧部分的拓扑性质相异；其中，适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构中，四种介质a、b、c和d分别为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡、覆盖石墨烯的氧化铟锡薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯和硫化锌，四种介质a、b、c和d的厚度分别为129nm、138nm、137nm和136nm。
上述的左、右两侧光子晶体(pc_l和pc_r)的拓扑性质相异，在光子晶体的交界面处形成拓扑界面态。在这种模式下较弱的入射激光能够顺利通过，实现弱光下的高透过；随着入射光功率密度的增大，因为左侧光子晶体由两种非线性光学材料构成，由于光学克尔效应，左侧光子晶体的折射率发生改变，对应微观结构上能带结构的改变，左侧光子晶体的带隙逐渐变窄，导致透过率随之降低到达限幅的目的；当入射光功率密度继续增大时，左侧非线性光子晶体的能带翻转，拓扑性质发生改变，而右侧线性光子晶体不受入射光功率密度变化的影响，拓扑性质不变，此时左、右两侧光子晶体的拓扑性质相同，不再满足拓扑界面态存在的条件，光子晶体恢复到原本禁带的状态，阻碍光子的通过，从而实现强光下的高衰减。
为了优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构中，光子晶体结构包含5个周期，光子晶体左侧部分的拓扑性质为正，光子晶体右侧部分的拓扑性质为负。
上述的适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构在光功率密度小于2.34×10-5mw/cm2时，该光子晶体限幅结构的光学透过率为81.95％，当光功率密度大于17.63mw/cm2时，其光学透过率为0.91％。
上述的掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡的线性折射率为2.40，非线性系数为2.1×10-8cm2/w，吸收系数为2.2×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.54gw/cm2；所述覆盖石墨烯的氧化铟锡薄膜的线性折射率为1.50，非线性系数为-2.0×10-8cm2/w，吸收系数为2.0×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.43gw/cm2；所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率为1.48，吸收系数为0.15cm-1，激光损伤阈值为2.63gw/cm2；所述硫化锌的折射率为2.29，吸收系数为0.07cm-1，激光损伤阈值为0.34gw/cm2。
本发明的有益效果在于：
本发明设计结构弱光下的高透过是基于拓扑界面态，因而限幅效果不受制作过程中引入的杂质和缺陷散射的影响。与利用缺陷模频移的限幅方法相比，本设计透过率峰的位置稳定，不受入射光功率密度的影响，并且可以更好地应用于激光护目镜、光学传感器以及紧凑的高效集成光学限幅器。可以实现对弱光下的高透过率和强光下的高衰减率，通过选取合适的材料以及调整厚度参数，该结构可应用于不同波长的激光限幅。
附图说明
图1为本发明光子晶体限幅结构的横截面图。
图2为本发明限幅结构左、右两侧光子晶体的能带结构和拓扑界面态随入射光功率密度的变化关系图。
图3为本发明限幅结构的左侧非线性光子晶体(pc_l)的带隙宽度随入射光功率的变化关系图。
图4为本发明限幅结构左、右两侧光子晶体(pc_l和pc_r)的透过率谱。
图5为本发明限幅结构整体透过率谱。
图6为本发明限幅结构在弱/强光下的电场分布图。
图7为本发明限幅结构随入射光功率密度增大的透过率谱变化图。
图8为入射光波长为1064.15nm下限幅结构的透过率随入射光功率密度的变化关系图。
图9为本发明限幅结构入射功率密度/出射功率密度的关系图、
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，所述的一维光子晶体限幅结构由四种介质按一定顺序周期性排列的光子晶体构成，设四种介质分别为a、b、c和d，则光子晶体结构为(a0.5ba0.5)n(c0.5dc0.5)n，介质a和b为非线性光学材料，构成光子晶体左侧部分(pc_l)，介质c和d为线性光学材料，构成光子晶体右侧部分(pc_r)，下标0.5表示介质基本单元的一半，n表示光子晶体结构的周期数，n的范围是1～200；所述的光子晶体左侧部分与光子右晶体左侧部分的拓扑性质相异。
以入射激光波长为1064.15nm为例，光子晶体结构包含5个周期，结构为(a0.5ba0.5)5(c0.5dc0.5)5，光子晶体左侧部分(pc_l)的拓扑性质为正，光子晶体右侧部分(pc_r)的拓扑性质为负。介质a为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡，其厚度da为129nm，线性折射率为2.40，非线性系数为2.1×10-8cm2/w，吸收系数为2.2×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.54gw/cm2。介质b为覆盖石墨烯的氧化铟锡薄膜，其厚度db为138nm，线性折射率为1.50，非线性系数为-2.0×10-8cm2/w，吸收系数为2.0×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.43gw/cm2。介质c为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，其厚度dc为137nm，折射率为1.48，吸收系数为0.15cm-1，激光损伤阈值为2.63gw/cm2。介质d为硫化锌，其厚度dd为136nm，折射率为2.29，吸收系数为0.07cm-1，激光损伤阈值为0.34gw/cm2。当光功率密度小于2.34×10-5mw/cm2时，该光子晶体限幅结构的光学透过率为81.95％，当光功率密度大于17.63mw/cm2时，其光学透过率为0.91％。
如图2所示，入射光功率密度较低时，此时左侧光子晶体(pc_l)的拓扑性质为正，右侧光子晶体(pc_r)的拓扑性质为负，满足拓扑界面态存在的条件，可以看到这时由于拓扑界面态(tes)的存在，在带隙中心波长对应的位置有一个透过率峰。当入射光功率密度增大时，因为左侧光子晶体由两种非线性光学材料构成，由于光学克尔效应，左侧光子晶体的折射率发生改变，对应微观结构上能带结构的改变，其带隙逐渐变窄，这个过程中透过率也随之变小，达到限幅的目的。入射光功率密度继续增大时，左侧非线性光子晶体的能带翻转，拓扑性质由原来的正变为负，而右侧线性光子晶体不受入射光功率密度变化的影响，拓扑性质依旧为负，此时不再满足拓扑界面态存在的条件，光子晶体恢复到原本禁带的状态，阻碍光子的通过。
在本实例中，图3给出了入射光功率密度在不断增大的过程中，左侧非线性光子晶体(pc_l)的带隙宽度由f0逐渐变窄，直至为0，对应此时左侧光子晶体的拓扑性质为正。随着入射光功率密度的增大，左侧光子晶体能带翻转，带隙宽度由0逐渐增大，对应此时左侧光子晶体的拓扑性质为负。
对于本发明的光子晶体激光限幅结构，采用有限元分析方法，结合有限元分析软件comsolmultiphysics进行仿真，添加射频模块中的电磁波频域物理场，通过改变入射光功率密度，得到光子晶体透过率随入射光功率密度变化的关系。如图4和图5所示，左侧光子晶体(pc_l)和右侧光子晶体(pc_r)在1064.15nm附近均为禁带，但是整体结构由于拓扑界面态(tes)的存在，在1064.15nm处出现了透过峰，保证弱光下能够有较高的透过率。从图6-9中可以看出该结构的非线性光学特性，如图6所示，通过分别计算入射光功率在低/高两种状态下该限幅结构的电场分布，可以看出该结构对1064.15nm的激光的限幅效果。从图7和图8可以看出，入射光功率密度从2.34×10-5mw/cm2增大到17.63mw/cm2的过程中，相应的透过率从81.95％降至0.91％，并且透过峰的位置保持在1064.15nm处，实现了非线性限幅。图9给出了入射光功率密度与初射光功率密度的关系，可以看出起初入射光功率较小时，出射光功率密度随之线性增加，当入射光功率密度增大到0.3mw/cm2以后，出射光功率密度稳定在0.14mw/cm2。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
1.一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，其特征在于：所述的一维光子晶体限幅结构由四种介质按一定顺序周期性排列的光子晶体构成，设四种介质分别为a、b、c和d，则光子晶体结构为(a0.5ba0.5)n(c0.5dc0.5)n，介质a和b为非线性光学材料，构成光子晶体左侧部分，介质c和d为线性光学材料，构成光子晶体右侧部分，下标0.5表示介质基本单元的一半，n表示光子晶体结构的周期数，n的范围是1～200；所述的光子晶体左侧部分与光子右晶体左侧部分的拓扑性质相异；其中，适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构中，四种介质a、b、c和d分别为掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡、覆盖石墨烯的氧化铟锡薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯和硫化锌，四种介质a、b、c和d的厚度分别为129nm、138nm、137nm和136nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，其特征在于：适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构中，光子晶体结构包含5个周期，光子晶体左侧部分的拓扑性质为正，光子晶体右侧部分的拓扑性质为负。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，其特征在于：适用于入射激光波长为1064.15nm的一维光子晶体限幅结构在光功率密度小于2.34×10-5mw/cm2时，该光子晶体限幅结构的光学透过率为81.95％，当光功率密度大于17.63mw/cm2时，其光学透过率为0.91％。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑界面态和光学克尔效应的一维光子晶体限幅结构，其特征在于：所述掺杂纳米铜和纳米铁的钛酸钡的线性折射率为2.40，非线性系数为2.1×10-8cm2/w，吸收系数为2.2×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.54gw/cm2；所述覆盖石墨烯的氧化铟锡薄膜的线性折射率为1.50，非线性系数为-2.0×10-8cm2/w，吸收系数为2.0×10-3cm-1，激光损伤阈值为0.43gw/cm2；所述聚甲基丙烯酸甲酯的折射率为1.48，吸收系数为0.15cm-1，激光损伤阈值为2.63gw/cm2；所述硫化锌的折射率为2.29，吸收系数为0.07cm-1，激光损伤阈值为0.34gw/cm2。
技术总结