[发明专利]一种基于全息干涉技术制备Gyroid拓扑光子晶体的方法

说明书

本发明属于光子晶体制备技术领域，涉及一种基于全息干涉技术制备Gyroid拓扑光子晶体的方法，在不增加光束数目的基础上，通过引入椭圆偏振光束，实现新颖拓扑Gyroid光子结构的制备，其制作成本低，光路搭建便捷有效，所得的晶格对称性、晶格周期、介质占空比等均可调控，能够较大面积制备可见光波段的Gyroid光子晶体。

技术领域：

本发明属于光子晶体制备技术领域，涉及一种在光学波段具有丰富光学特性并且可探测Weyl费米子的三重周期性的Gyroid结构的制备方法，特别是一种基于全息干涉技术制备Gyroid拓扑光子晶体的方法。

背景技术：

1929年,德国科学家外尔(Hermann Weyl)指出，当费米子的质量为零时,可以区分为具有左旋和右旋两种不同手性的粒子,这就是Weyl费米子，类似于光可分为左旋偏振光和右旋偏振光，这种费米子等效电子质量为零，那么就能极大提高电子的传输效率，另外一个优点就是它具有拓扑保护的特性，所以鲁棒性(Robust)更强，这在量子计算机中可以大展拳脚。Weyl费米子的发现不仅具有非常重要的科学意义，也可能会带来未来革新性技术突破。但是近百年来人们却一直没有能够在实验中观测到Weyl费米子。

2015年7月31日和8月17日,Physical Review X和Nature Physics分别以Experimental Discovery of Weyl Semimetal TaAs”和Observation of Weyl Nodes inTaAs”为题,在线发表了中国科学院物理研究所丁洪研究小组在Weyl半金属的研究成果，该研究组利用角分辨光电子能谱技术测量了TaAs的电子结构，直接观测到Weyl锥形的能带，这是自1929年Weyl费米子被提出以来，首次得到实验证实。

2015年，麻省理工学院研究员Lu Ling等在微波段Gyroid光子晶体中引入宇称破缺，在理论上预言并在实验上观测到了光子晶体能带结构中的Weyl点。Weyl费米子的实现为三维光学拓扑绝缘体的实现提供了基础。

近年来，科研人员通过胶体自组装和激光直写等技术成功制备Gyroid光子晶体，并对其进行观测研究，但是，还未有在可见光波段制备Gyroid光子晶体的相关报道。激光全息干涉技术基于多光束干涉理论，能够通过调控干涉光束的数目、光波矢、偏振等参数来调控干涉结构，近年来已在光子晶体、准晶、超材料等微纳结构制备中得到广泛应用，因此，寻求一种基于全息干涉技术制备Gyroid拓扑光子晶体的方法。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种在可见光波段经济快速地大面积制备Gyroid光子晶体的方法。

为了实现上述目的，本发明利用空间中的四束相干光干涉叠加制备Gyroid光子晶体，具体过程为：

(1)通过分光得到四束任意波长的相干激光光束，各相干激光光束在x-y投影面的夹角相等，相邻光束投影夹角均为90°，四束相干激光光束波矢分别为:

其中λ为相干光的波长；

空间电场矢量分别为：

(2)由于空间电场矢量均为空间中的椭圆偏振光，需要将其转换至沿z轴正方向传播的椭圆偏振光，通过旋转矩阵法实现空间中椭圆偏振光的旋转，不同的空间电场矢量对应不同的旋转矩阵R_i(i＝1,2,3,4)分别为

上述四束相干激光光束经过空间中旋转之后得到沿着z轴正方向传播的椭圆偏振光，分别为