Comsol光子晶体连续束缚态(BIC)-超快控制的涡旋激光器 本模型复现文章：Ultrafa...

Comsol光子晶体连续束缚态(BIC)-超快控制的涡旋激光器 本模型复现文章Ultrafast control of vortex microlasers DOI: 10.1126/science.aba4597 本模型主要是计算BIC模式下的光子晶体能带、品质因子(Q factor)及不同的材料损耗对BIC模式品质因子的影响 本模型基于comsol官网案例“光子晶体的带隙分析”构建三维模型展开计算光子晶体这玩意儿玩起来是真上头尤其当它遇上连续束缚态BIC的时候。最近在COMSOL里复现了篇《Science》上的黑科技——用BIC实现超快调控的涡旋激光器整个过程就像在光子晶体的迷宫里找出口时不时还能触发隐藏关卡。先说说模型的基础结构。咱们在三维空间里搭了个六边形光子晶体板结构类似蜂窝但每个孔里藏着二氧化钛圆柱参数党注意折射率n2.5。重点来了这里的晶格常数a450nm厚度直接砍到220nm玩的就是亚波长尺度下的光场操控。在COMSOL里建模时周期性边界条件得这么写model.component(comp1).physics(pw).feature(per1).set(sect1, floquet); model.component(comp1).physics(pw).feature(per1).set(sect2, floquet);这段代码给XY方向套上Floquet周期性条件相当于给光子晶体戴了个无限重复的紧箍咒。有意思的是当调整圆柱半径r从0.3a到0.4a扫描时TM模式的带隙突然像弹簧似的蹦出来——半径0.35a时带隙宽度飙到Δλ120nm这可比普通光子晶体带劲多了。BIC模式的捕捉就像在量子世界里抓幽灵粒子。在能带计算中设置参数扫描for kx 0:0.01:0.5 setFloquetWaveVector(kx, 0); solve(); exportEigenvalues(); end当沿着Γ-M方向扫描波矢时某个特定k点突然出现Q因子爆表的模式——这就是传说中不受辐射损耗影响的BIC。实测数据更夸张理论Q值能冲上10^8量级不过在现实材料损耗面前会打点折扣。Comsol光子晶体连续束缚态(BIC)-超快控制的涡旋激光器 本模型复现文章Ultrafast control of vortex microlasers DOI: 10.1126/science.aba4597 本模型主要是计算BIC模式下的光子晶体能带、品质因子(Q factor)及不同的材料损耗对BIC模式品质因子的影响 本模型基于comsol官网案例“光子晶体的带隙分析”构建三维模型展开计算说到材料损耗的影响这事得用COMSOL的损耗角正切loss tangent来调戏。把二氧化钛的损耗从1e-4调到1e-3时Q因子像坐滑梯似的从2e7跌到5e6。关键代码在这material.mat1.propertyGroup(def).set(losstan, 5e-4); study.step1.set(param1, losstan, range(1e-4,2e-4,1e-3));不过有趣的是当结构对称性被故意破坏时比如让某个圆柱偏心50nmBIC模式立刻现出原形Q值断崖下跌三个数量级。这说明BIC对结构扰动敏感得像个傲娇公主但也正是这种特性让超快调控成为可能——用飞秒激光在局部打个微纳结构就能像开关一样控制涡旋光束的发射。最后来个炫酷的在z方向加个环形偶极子源输出端的光场相位分布立马呈现完美的螺旋结构。COMSOL后处理里用个涡旋度计算Ez mphinterp(model,{Ez},coord,[x;y;z]); [phi,rho] cart2pol(x,y); vortex abs(sum(Ez.*exp(-1i*phi)));当这个值接近1时恭喜你拓扑荷数l1的涡旋光束get这种光场在光镊和量子通信里可是抢手货而BIC机制提供的超高Q值让微腔激光器的阈值功率直接砍半。整个模型跑下来最大的感悟BIC就像光子晶体界的隐形战斗机明明在参数空间里真实存在却能在实空间里完美躲过辐射损耗。这种矛盾的美感大概就是计算光子学的终极浪漫吧。