【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光子晶体，具体涉及基于拓扑奇点的超深亚波长双极化敏感探测器件及其设计方法。
技术介绍
0、技术背景
1、光的自旋-轨道耦合在现代光子学中非常重要，因为它产生了自旋角动量和轨道角动量之间的相互转换。一种自旋轨道相互作用——自旋角动量和外禀轨道角动量的转换，导致光子自旋霍尔效应。光子自旋霍尔效应已被广泛研究理论和实验验证。近年来，当空间限制光束(如高斯光束)线偏振光(s-极化和p极化)入射到介质平面产生反射或透射时，其反射光或透射光的两个自旋分量(左旋和右旋)将在垂直入射面有一个方向相反的横向位移，这就是光子自旋霍尔位移(pshs)。以p极化入射为例，在满足：(2πw/λ)2>>cot2θi条件下，其中w为束腰宽度，θi为入射角，光子自旋霍尔位移可以近似写成：
2、
3、其中，λ为入射波长，rs,p为s/p极化的反射系数，φs,p为s/p极化的反射相位。
4、如式子(1)所示，要想实现巨大的光子自旋霍尔位移，必须同时满足两个条件：(i)|rs|/|rp|足够大；(ii)θi足够小。在超深亚波长领域，也即器件的尺寸远远小于波长时，有效介质理论被认为是一个普适的近似方法。在有效介质理论框架下，整个体系可以看成一个等效腔。由谐振腔透反率的基本常识可知，上述两个条件是矛盾的，并不能同时满足。具体来说，当θi很小时，而当θi变大时，虽然|rs|/|rp|变大，但是cotθi变小。因此，通常来说很难在超深亚波长领域实现大的光子自旋霍尔位移。如何在超深亚波长领域实现近零度角
5、另一方面，超深亚波长探测也是当前产业和工业界的研究重点，它是指对远小于探测波长尺度的目标或变化进行检测和识别的能力。这种探测技术在多个领域都非常重要，例如在高分辨率成像，生物医学诊断，材料缺陷检测，光信息处理，环境监测等领域均有重要的科研价值和产业价值。然而目前基于超表面和超材料的超深亚波长探测器件都有制备困难，吸收大等缺点，而本专利技术中利用一维光学薄膜实现超深亚波长探测具有制备简单、误差小、参数可调和抗干扰能力强等优势。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于拓扑奇点的超深亚波长双极化敏感探测器件及其设计方法，以解决目前超深亚波长领大的光子自旋霍尔位移以及相关探测器件设计的技术难题。
2、本专利技术提供一种基于拓扑奇点的超深亚波长双极化敏感探测器件，通过调节具有中心反演对称的一维光子晶体(为多层膜)的结构和材料参数，将体系的拓扑奇异点移动到超深亚波长区域，可以在超深亚波长拓扑奇异点附近实现近零度角入射的双极化巨大的光子自旋霍尔位移。此外，由于超深亚波长的拓扑奇异点对结构和材料参数非常敏感，因此利用此特性设计超深亚波长双极化敏感介质厚度探测器、敏感介质介电常数探测器和敏感背景材料探测器等器件。其中敏感介质厚度探测器，可实现用微波波段探测纳米级别的误差。此外，本专利技术还可引入更复杂的一维光子晶体(多层膜)结构，通过调节更多拓扑奇异点移动到超深亚波长区域，可以进一步设计超深亚波长多频率通道双极化敏感探测器件以及在超深亚波长实现宽带的巨大光子自旋霍尔位移器件。本专利技术具有结构简单、吸收小、抗干扰能力强等优势。
3、(一)本专利技术首先提供一种超深亚波长双极化敏感探测器件，其可探测的尺度变化比工作波长小五、六个数量级或更多。一般规定，一个尺度比波长小一个量级以下的情形，称为“深亚波长”，尺度比真空波长小很多量级的情况，称为“超深亚波长”。该器件结构如附图1所示，从下到上依次为衬底、一维光子晶体、衬顶；所述衬底和衬顶是同一种材料sio2。
4、其中：
5、所述一维光子晶体，由x、y方向均匀的原胞在z方向上周期延拓叠合的光学薄膜；通过调节具有中心反演对称的一维光子晶体的结构和材料参数，将体系的拓扑奇异点移动到超深亚波长区域，在超深亚波长拓扑奇异点附近实现近零度角入射的双极化巨大的光子自旋霍尔位移；
6、所述原胞由a、b和c三种介质材料组成，其厚度分别为da,db和dc；其相对应的介电常数为εa,εb和εc；其相对应磁导率均为μr＝1。原胞的周期长度为λ＝da+db+dc。
7、所述一维光子晶体，在z方向具有反转对称性；一维光子晶体的一个周期由五层薄膜组成，五层薄膜材料从下到上依次为：(a,b,c,b,a)；其厚度分别为：其介电常数分别为：(εa,εb,εc,εb,εa)。
8、取a材料、b材料和c材料的介电常数分别为：εa＝2.1,εb＝3.24,εc＝1.44，长度分别为：da＝0.2λ,db＝0.295λ,dc＝0.505λ；其中，λ为周期长度；通过调整周期长度λ，使得器件应用到电磁波各个频段：长波段、微波/射频段、太赫兹、红外、可见光、紫外、x和γ波段。
9、本专利技术还提供上述超深亚波长双极化敏感探测器件的设计方法，具体步骤为：
10、步骤1、在正入射(垂直)条件下，计算光子晶体的能带结构，通过调节结构参数和材料参数，实现将拓扑奇异点移动到接近光子晶体第一能带的底部，即“近零频”区域。“近零频”区域指：该频率段的波长可以达到光子晶体晶格常数a的几十倍或更多倍数。在正入射情况下，两种极化(s-极化和p-极化)的拓扑奇异点是重合的。
11、步骤2、引入斜入射角度θ1，实现两种极化(s-极化和p-极化)的拓扑奇异点在“近零频”区域分开；斜入射角度θ1可以是任意角度，实际操作时，斜入射角度θ1在“小角度范围”内，就可以实现两种极化的拓扑奇异点分开。“小角度”范围一般是指斜入射角度θ1小于0.1弧度。在小角度范围进行斜入射时，观测反射光束相对容易操作。
12、步骤3、选择具有一定束腰宽度w的某个极化(s-极化或p-极化)光束入射，光束可以但不限于是高斯光束，本设计一般要求束腰宽度w达到十倍波长以上。
13、步骤4、根据计算，可以预先得到在不同极化入射情况下反射光束的场分布和光子自旋霍尔位移等信息，计算可以基于传输矩阵或其它数值方法。在光子晶体近零频奇异点周围，反射光束的场分布演化具有明显的特征，这些特征与多个结构参量或材料参量相关，所以，这些场分布演化特征可以被用来进行敏感探测，包括“超深亚波长探测”。
14、步骤5、通过探测反射光束场分布随结构参数(例如：介质层厚度)、材料参数(例如：介质介电常数)及背景环境材料参数的变化，从而实现对结构参数、材料参数及背景环境变化的敏感测量。
15、步骤6、根据反射光束场分布特征和演化方式，我们可以定义相应的测量阈值，从而可以得到该测量方法对结构参数、材料参数和背景环境变化进行测量的敏感度。一维光子晶体的案例表明该方法可以探测极其微小的厚度变化，甚至可以探测到比工作光波长小六个量级或更小的厚度变化，所以，该方法可以实现“超本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超深亚波长双极化敏感探测器件，可探测的尺度变化比工作波长小五、六个数量级或更多；一个尺度比波长小一个量级以下的情形，称为“深亚波长”，尺度比真空波长小很多量级的情况，称为“超深亚波长”；其特征在于，其结构从下到上依次为衬底、一维光子晶体、衬顶；所述衬底和衬顶是同一种材料SiO2；其中：
2.根据权利要求1所述的超深亚波长双极化敏感探测器件，其特征在于，A材料、B材料和C材料的介电常数可以但不限于为：εA＝2.1,εB＝3.24,εC＝1.44，长度分别为：dA＝0.2Λ,dB＝0.295Λ,dC＝0.505Λ；其中，Λ为周期长度；通过调整周期长度Λ，根据尺度变换原理，该器件可应用到电磁波各个频段：长波段、微波/射频段、太赫兹、红外、可见光、紫外、X和γ波段。
3.如权利要求1所述的超深亚波长双极化敏感探测器件的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
4.一种超深亚波长双极化多频率通道的敏感探测器件，其特征在于，结构与超深亚波长双极化敏感探测器件的区别主要是：原胞由A、B和C三种介质材料组成改变为由A、B、C和D四种介质材料组成；具体地，其结
5.根据权利要求4所述的超深亚波长双极化多频率通道的敏感探测器件，其特征在于，A材料、B材料、C材料和D材料的介电常数可以但不限于为：εA＝6,εB＝4,εC＝9,εD＝4.82，长度分别为：dA＝0.076Λ,dB＝0.2Λ,dC＝0.3Λ,dD＝0.424Λ，其中，Λ为周期长度；通过调整周期长度Λ，根据尺度变换原理，该器件可应用到电磁波各个频段：长波段、微波/射频段、太赫兹、红外、可见光、紫外、X和γ波段。
6.如据权利要求5所述的超深亚波长双极化多频率通道的敏感探测器件的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
7.一种超深亚波长宽带的巨大光子自旋霍尔位移器件，其特征在于，结构模式与权利要求4所述的超深亚波长双极化多频率通道敏感探测器件的一致，为“ABCDCBA”模式。
8.如权利要求7所述的超深亚波长宽带的巨大光子自旋霍尔位移器件的设计方法，其特征与，具体设计步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种超深亚波长双极化敏感探测器件，可探测的尺度变化比工作波长小五、六个数量级或更多；一个尺度比波长小一个量级以下的情形，称为“深亚波长”，尺度比真空波长小很多量级的情况，称为“超深亚波长”；其特征在于，其结构从下到上依次为衬底、一维光子晶体、衬顶；所述衬底和衬顶是同一种材料sio2；其中：
2.根据权利要求1所述的超深亚波长双极化敏感探测器件，其特征在于，a材料、b材料和c材料的介电常数可以但不限于为：εa＝2.1,εb＝3.24,εc＝1.44，长度分别为：da＝0.2λ,db＝0.295λ,dc＝0.505λ；其中，λ为周期长度；通过调整周期长度λ，根据尺度变换原理，该器件可应用到电磁波各个频段：长波段、微波/射频段、太赫兹、红外、可见光、紫外、x和γ波段。
3.如权利要求1所述的超深亚波长双极化敏感探测器件的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
4.一种超深亚波长双极化多频率通道的敏感探测器件，其特征在于，结构与超深亚波长双极化敏感探测器件的区别主要是：原胞由a、b和c三种介质材料组成改变为由a...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋寻涯，刘毓馥，王贤俊，王学之，李云林，张浩然，赖震，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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