光子带隙结构的相位测量调控及应用研究

Photonic band gap structures can control the amplitude, frequency and phase of optical wave. Utilizing the amplitude and frequency characteristics of photonic structures, many applications have been brought up, but study on phase feature is much less, especially the experimental study on phase of photonic band gap structure is rarely reported. Due to phase is an important factor on optical wave controlling, study on phase characteristics can further reveal the inherent optical properties of the photonic band gap structures..Based on previous studies and latest results, this project will focus on the study about phase controlling characteristics and applications of photonic structures with band gaps in optical band. With the guidance of simulation, specific photonic structures will be fabricated by holographic lithography and e-beam evaporation technology respectively, and the reflection phase within band gaps of prepared samples will be measured by self-built phase measurement system with high accuracy. We will thoroughly survey the response of phase within band gap on incident angle, polarization, etc. By using the effective medium theory, we will analyze the phase within the band of the photonic structure, and explore the relationship between the characteristics of the envelope curve from band gap spectrum and the structure symmetry. The reflection phase within bandgap of 1D photonic structure with reverse symmetry will be systematic studied, which will provide the feasible experimental approach for topological photonics. On these bases, we will further explore the applications of photonic structures on interface state, broad band wave plate, and so on. The project will promote the development of micro-nano photonic devices.

光子带隙结构对光波可实现振幅、频率和相位的调控。基于振幅和频率特性，人们已经提出了诸多应用，但鲜有基于相位的研究，尤其是相位测量实验研究更少。作为光波的一个重要参量，相位在光波调控中起着至关重要的作用，对光子结构的相位特征进行研究，可进一步揭示光子带隙结构所蕴含的光学特性。本立项基于前期的研究基础和最新成果，致力于光学波段光子带隙结构对光波相位的调控及应用研究。在理论模拟指导下，基于全息光刻技术和电子束蒸镀技术实验制备特定的光子带隙结构；利用自搭建的相位测量系统研究带隙内反射相位对光波入射角、偏振等参量的响应特性；利用等效介质理论研究光子结构带隙外的相位特征，探究带隙光谱包络曲线特征与结构对称性之间的关联；开展一维反转对称光子结构的带隙反射相位研究，为拓扑光学量测量提供实验方案；基于实验结果探讨光子结构在光学界面态、宽带波片等方面的应用。本项目的开展将对推动微纳光子器件的发展具有重要意义。

光子带隙结构对光波可实现振幅、频率和相位的调控，对光子结构的相位特征进行研究，可进一步揭示光子带隙光谱所蕴含的物理意义，拓展基于相位特征的应用。本项目聚焦于光学波段光子带隙结构对光波相位的调控特性及应用，包括深入研究了反转对称层状光子结构及其在产生界面态方面的应用，通过实验证实了结果的可靠性；研究了光子结构通带内的相位；并将微区相位测量的研究工作拓展用于手性超表面对光波的相位调控等；取得了一系列进展。.（1）利用传输矩阵方法计算了具备反转对称特征的一维光子结构，根据带隙内的相位特征，将反转对称中心不同的两个层状结构进行组合研究了产生界面态的条件，并研究了界面态的可调控特性与鲁棒性；利用电子束蒸镀技术，选用TiO2和SiO2两种靶材制备了不同的样品，通过测试分析获得与理论计算一致的结果，充分证实了层状光子结构在产生界面态方面的可行性，可以为光子结构在窄带滤波器、多通道滤波器等方面的应用提供可靠参考。.（2）利用全息光刻技术，选用重铬酸盐明胶感光材料成功实现了无基底层状光子结构的制备；并将一维层状结构等效为折射率为neff的均匀膜层，对实验测得的反射光谱带隙外的振荡峰值进行拟合分析研究了通带内的相位，利用有效介质方法分析得到的反射相位与基于理论模型计算的结果是一致的，这一研究结果对深入理解光子结构的光谱特征具有重要的物理意义。.（3）将自搭建的法布里-珀罗干涉微区测量系统拓展用于手性超表面，研究了手性超表面对入射圆偏振光引入的反射相位突变，提出超表面的圆相位二色性；同时基于偏光干涉原理搭建相位测量系统，研究了层状光子结构对斜入射的TE和TM光波在带隙内的相位响应特征，并利用偏光干涉技术实现了对手性超表面透射相位圆二色性的研究；这些针对相位测量的工作对光子带隙结构及超表面相位调控器件的研究具有重要推动作用。