光場局域的案例
利用Lumerical FDTD計算金屬納米孔的光場局域效果
本篇以基于金薄膜的復雜納米孔結構為例，計算了結構在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結構建模
首先是建立結構模型，結構為上方大孔，下方小孔的嵌套結構，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監視器。將高斯光波長設置為400nm，放置在結構上方，向下照射。
1. 為結構布置
2. 建立的模型
二、參數設置
3. 三維FDTD仿真區域設定
4. 對于x偏振光源下仿真邊界條件的設置，可以將x方向設置為反對稱，y方向設置為對稱邊界條件，z方向全保持為PML。
5. 設置好的結構俯視圖
6. 該設置下的內存需求
三、結果圖
7. 縱面場強
8. 空氣、大環交界面
9. 大環、小環交界面
10. 小環、基底交界面
四、總結
這種具有亞波長尺寸的結構單元可以將光局限在結構內部并難以繼續向下照射，即使下方仍然有可供光束傳播的空間。
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展開 基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數、圓氣孔半徑等參數進行優化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉無序程度來實現更強的光場局域特性。
圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導模型
對于五邊形旋轉度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉角度，橫坐標為不同的旋轉角度，縱坐標為不同旋轉角度對應取的五邊形數量，無序光子晶體波導見建模如圖2(b)所示。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優化，隨后與優化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
圖3 五邊形氣孔的優化結果
圖4展示了優化后的有光子晶體波導的能量傳輸圖，可以發現其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優化后的Pyz
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展開 eLight·封面 | 源調控對稱破缺極化激元
因此，如何在納米尺度上實現光子的高度局域和精確操控成為一個重要而具有挑戰性的科學難題。極化激元作為一種由光和物質相互作用產生的“半光-半物質”準粒子，憑借其光場局域性強和傳播損耗小的優點，有望應用于構建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質中產生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無限大的波矢傳播，進而把光場壓縮到無限小的尺度。
極化激元的激發和傳播與材料的對稱性密切相關。最近的研究表明，在低對稱單斜晶體中存在一種特殊的雙曲剪切極化激元（hyperbolic shear polaritons），由于單斜晶體介電常數張量的非對角化，其雙曲波前表現出明顯的鏡像對稱破缺，進一步增強了極化激元傳播的定向性。然而，低對稱晶體存在著傳播損耗大的問題，而傳統高對稱性晶體中的本征雙曲極化激元又總呈現出鏡像對稱性，這些因素都不利于實現極化激元的高效定向傳播。
針對上述問題，華中科技大學張新亮、李培寧團隊與中國地質大學（武漢）戴志高教授合作，提出了一種通過控制激發源的極化特性打破雙曲極化激元鏡像對稱性，實現納米尺度光場定向傳輸的新策略。
他們通過研究近場激發源對面內雙曲極化激元的影響機制，從理論和實驗上證明：在不依賴晶體結構的對稱性條件下，可以通過面內偶極矩直接誘發雙曲材料中對稱破缺的雙曲極化激元，從而實現雙曲極化激元在高對稱晶體中低損耗和低對稱晶體中高定向的優勢融合。
該工作以“Source-configured symmetry-broken hyperbolic polaritons”為題發表在卓越計劃高起點新刊eLight。
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