[发明专利]一种面向高度集成化的拉曼高阶拓扑激光源设计方法

说明书

本发明公开一种面向高度集成化的拉曼高阶拓扑激光源设计方法，包括以下步骤：(1)从BHZ(Bernevig‑Hughes‑Zhang)模型入手，通过调整哈密顿的微扰项，得到角态对应的拓扑相即拓扑角态；根据Jackiw‑Rebbi理论，拓扑角态处将会形成一个零能量束缚态，由此进一步确定拉曼拓扑系统的几何构型、带隙位置及本征能级；(2)基于拓扑光子晶体几何结构，在经典电磁学的背景下，建立拉曼非线性耦合波方程，从而使拓扑腔满足准相位匹配；并从拉曼非线性极化强度出发，描述耦合模理论中的非线性部分；(3)进行多角态模式匹配，除了最近邻晶格之间的耦合作用外，非最近邻晶格间的长程耦合作用会导致边界态的能级分裂，产生其他角态；(4)拓扑角态的三维推广和实验测量。

技术领域

本发明涉及非线性光学领域，特别是涉及一种面向高度集成化的拉曼高阶拓扑激光源设计方法。

背景技术

拉曼激光技术因其直接、准确、无损检测等优点，在医疗、医药及痕量物质检测等领域中均有重要应用。

近年来，随着工业产业的转型升级，医疗诊断、医药检测等领域正在开启智能化、便携化、大数据和数字化时代，诸如一体式监护仪、掌上检测仪等轻便医用器械应运而生。拉曼激光检测技术面向智能、便携、集成化的方向发展也成为大势所趋。

由于大数据和智能化技术对系统内信息处理速度、数据计算速度的要求非常之高，因此要求系统中每一个元件均具备高集成性与稳定鲁棒性，以确保各路光电数据信息传输、处理环节保持高速高效。然而，目前传统拉曼光源受其内在物理机理的制约，抗干扰、抗散射的能力有限，影响系统的高集成性，从而很难在集成智能化方向取得关键性突破[1]。

其中，主要存在两大技术瓶颈长期制约着拉曼系统的高集成性：

材料中自由载流子吸收所引起的非线性光学损耗、光子器件制备中缺陷和无序产生的强烈散射损耗，以及泵浦和斯托克斯光场力引起的周围气体密度和折射率的微扰[2]，抑制了受激拉曼散射效率和光输出性能，以致影响整个系统的高集成性能。

在低损耗前提下，拉曼光源若要大幅度提升拉曼增益，其代价是牺牲系统信号的带宽[3]。这种内在带宽限制严重阻碍了拉曼光源在未来大规模光子集成回路中的广泛应用。而如何在超低损耗、超高非线性效率的前提条件下，找到高拉曼增益与大带宽之间的平衡，也是拉曼工程的一大技术难题。

基于以上两大技术难题，如何从物理根源出发，设计一个新型拉曼光源，使其满足低损耗的同时，易于高度集成，并对杂质、扰动、缺陷等工艺上难以避免的问题形成免疫，已成为非线性光学领域的一个极具研究价值和实际工程意义的科学问题。

受到近年兴起的拓扑光子学的启发：拓扑结构只关注物体之间的位置关系而不考虑其大小和形状，局部参量的空间变化不会影响该空间的全局性质[4-5]。因此，拓扑保护下的光子态对设备微调和误差有很高的容忍度，系统的鲁棒性和稳定性将显著增强，从而易于集成应用到智能化系统之中[6-7]。

在拓扑体态、拓扑边态以及拓扑角态这三种拓扑边界形态中，拓扑角态使光能定位在某个子晶格上，从而可以自然引入一个体积小、Q值高的稳定纳米光腔[8-13]。尽管拓扑高阶角态在线性声子晶体及光波导阵列中均有相关研究，但利用高阶拓扑对非线性光学材料的研究目前在国内外均没有相关报道。

近十年来，为了不断提高拉曼光源性能、降低其设备的尺寸和成本，人们对拉曼激光的相关研究取得了一系列进展[14-19]：

2013年，日本大阪府立大学Y.Takahashi等研究人员利用异质结实现了低阈值的拉曼激光腔[14]。为了提高拉曼激光的带宽及其可调性能，2015年，哈佛大学P.Latawiec等研究人员研制出金刚石宽带可调谐的片上拉曼激光器[15]，为拉曼光源的可集成性能研究提供了良好理论基础。然而，截至当时，国际上所报道的拉曼激光均存在非线性效率偏低的问题，因而有关提高拉曼转化率的研究随后应运而生。