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《微纳光子器件智能设计与应用》，杨俊波 等 著，出版社： 科学出版社。

科学出版社是中国最大的综合性科技出版机构，由前中国科学院编译局与1930年代创建的有较大影响的龙门联合书局合并而来。科学出版社比邻皇城根遗址公园，是一个历史悠久、力量雄厚，以出版学术书刊为主的开放式出版社。

内容简介

汇总了作者团队近年来在微纳光子器件研究领域的*新研究成果，系统介绍纳米光子器件的工作原理、设计方法、模拟仿真手段、制作工艺、测试流程，以及应用领域等，并就深度学习、神经网络、梯度下降、启发式算法，包括遗传算法、二元搜索算法、粒子群优化等AI设计算法在微纳光子器件设计领域的应用展开讨论。《微纳光子器件智能设计与应用》按照微纳光子器件的种类和应用组织撰写，第一部分硅基片上微纳光子器件，包括第1章～第4章，主要介绍亚波长光栅耦合器、分束器、滤波器等。第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件，包括第5章～第8章，主要介绍石墨烯太赫兹波束调控器件。第三部分超表面和光子晶体器件，包括第9章～第12章，主要介绍超透镜、混合材料超表面等。第四部分微纳光子器件的智能算法设计，包括第13章和第14章，主要介绍智能算法所设计的分束器等。第五部分微纳光子器件的应用，包括第15章～第18章，主要介绍光量子与热伪装方面的应用。

目录

第一部分硅基片上微纳光子器件

第1章耦合器理论3

1.1引言3

1.2波导光栅器件设计理论4

1.2.1波导光栅结构4

1.2.2布拉格条件5

1.2.3波矢图6

1.3严格耦合波解析方法7

1.4FDTD数值方法11

参考文献13

第2章硅基波导模斑转换器15

2.1引言15

2.2基本原理和设计方案17

2.2.1相位补偿原理17

2.2.2设计与优化19

2.3基于光学透镜的锥形模斑转换器21

2.4拓展延伸24

2.5本章小结27

参考文献27

第3章偏振相关波导器件29

3.1引言29

3.2定向耦合型TM偏振起偏器及分束器的研究30

3.2.1研究背景30

3.2.2设计TM型偏振起偏器的基本原理31

3.2.3定向耦合器的基本原理32

3.2.4设计TM型偏振器参数优化33

3.2.5本节小结38

3.3偏振不敏感MMI分束器38

3.3.1研究背景38

3.3.2自成像原理39

3.3.3多模干涉耦合器的干涉模式40

3.3.4多模干涉耦合器的设计41

3.3.5本节小结45

3.4本章总结46

参考文献46

第4章硅基波导光栅耦合器的设计48

4.1引言48

4.2阶梯型波导光栅耦合器的设计及模拟48

4.3二元闪耀光栅耦合器的设计及模拟52

4.3.1等效介质膜理论52

4.3.2二元闪耀光栅占空比55

4.3.3二元闪耀光栅的设计及数值模拟57

4.4对称式全刻蚀啁啾型亚波长二元闪耀光栅分束器62

参考文献66

第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件

第5章石墨烯电磁特性及波束调控原理69

5.1引言69

5.2石墨烯的电磁特性69

5.2.1石墨烯的能带结构70

5.2.2石墨烯的电导率72

5.2.3石墨烯的可调谐特性74

5.2.4石墨烯的表面等离激元74

5.3广义斯内尔定律82

5.4涡旋光束的基本原理85

5.4.1涡旋光束的性质85

5.4.2涡旋光束的产生方法86

5.5有限元算法简介87

5.6本章小结88

参考文献89

第6章基于单电极调控的波束摆扫与动态聚焦器件93

6.1引言93

6.2波束调控器件研究现状94

6.3非均匀周期性结构的特性分析97

6.3.1结构单元特性分析98

6.3.2绝缘介质层厚度的优化101

6.3.3传统设计方法的缺陷102

6.4单电极调控的波束摆扫器件103

6.4.1单电极控制的波束摆扫器件设计103

6.4.2不同尺寸器件的性能对比106

6.4.3波束摆扫器的宽带特性分析108

6.5单电极调控的可变焦超透镜109

6.5.1可变焦超透镜的设计109

6.5.2可变焦超透镜的可调特性分析111

6.5.3可变焦超透镜的宽带特性分析112

6.6本章小结113

参考文献114

第7章基于开口谐振环的可调偏振转换与波束调控器件116

7.1引言116

7.2可调偏振转换超材料的研究现状116

7.3超薄的可调偏振转换器件117

7.3.1结构设计与响应特性分析117

7.3.2偏振转换原理分析119

7.3.3偏振转换效率的可调性121

7.4偏振转换与分束器件123

7.4.1开口谐振环的相位特性分析123

7.4.2偏振分束器的结构设计与分析124

7.5偏振转换与聚焦器件128

7.5.1偏振聚焦超透镜设计128

7.5.2偏振聚焦超透镜特性分析131

7.6本章小结132

参考文献133

第8章基于交叉形结构的可调涡旋光生成器件135

8.1引言135

8.2基于超表面方式产生涡旋光的机理分析136

8.3交叉形谐振单元的提出与特性分析138

8.3.1常规设计结构的缺陷138

8.3.2交叉形谐振结构单元的提出140

8.3.3交叉结构谐振单元的特性分析141

8.4不可调控涡旋光生成器设计143

8.4.1不可调控螺旋相位板的结构设计143

8.4.2不可调涡旋光生成器的效果分析146

8.5可调控涡旋光束生成器设计147

8.5.1可调螺旋相位板的参数选取147

8.5.2可调涡旋光束生成器效果分析149

8.6本章小结151

参考文献151

第三部分超表面和光子晶体器件

第9章基于相变材料的近红外可调平面透镜155

9.1引言155

9.2设计方法156

9.2.1几何相位原理156

9.2.2相变材料调控159

9.2.3单元结构设计161

9.2.4平面透镜设计166

9.3平面透镜调控效果167

9.3.1平面透镜开关调控效果167

9.3.2平面透镜连续调控效果169

9.4平面透镜宽带特性与鲁棒性171

9.4.1平面透镜宽带特性171

9.4.2平面透镜鲁棒性172

9.5本章小结175

参考文献176

第10章中红外动态可调平面透镜阵列180

10.1引言180

10.2相变材料GST可调平面透镜阵列182

10.2.1材料与设计方法182

10.2.2可调平面透镜阵列186

10.3VO2平面透镜阵列192

10.3.1单元结构设计192

10.3.2VO2可调平面透镜阵列调控效果194

10.4本章小结195

参考文献196

第11章基于混合材料超表面的可调电磁感应透明效应198

11.1引言198

11.2相变材料的光学特性199

11.3电磁感应透明效应203

11.4基于相变材料硅超表面的近红外可调电磁感应透明效应207

11.4.1结构、材料与仿真方法208

11.4.2结果与讨论209

11.5基于相变材料金属超表面的太赫兹可调电磁感应透明效应214

11.5.1结构、材料与仿真方法214

11.5.2结果与讨论215

11.6本章小结223

参考文献224

第12章对称光子晶体中的连续域束缚态研究228

12.1引言228

12.2光学连续域束缚态简介229

12.3多极子展开法232

12.4对称光子晶体中的连续域束缚态235

12.4.1几何结构与调制方案235

12.4.2光谱与本征模式分析236

12.4.3品质因子分析240

12.4.4多极子展开分析242

12.4.5非对称调制方案243

12.4.6损耗与基底的影响244

12.5本章小结247

参考文献247

第四部分微纳光子器件的智能算法设计

第13章可扩展的宽带偏振分束器251

13.1偏振分束器251

13.2基于目标优先优化算法的偏振分束器设计253

13.2.1器件结构与优化区域尺寸选取253

13.2.2器件的目标优先优化设计258

13.3梯度下降与水平集方法260

13.3.1梯度下降法的定义260

13.3.2梯度下降法的优化流程260

13.3.3梯度下降法的优化结果263

13.3.4水平集方法264

13.3.5水平集演化结果267

13.4本章小结267

参考文献270

第14章聚焦波长分束器272

14.1基于逆向设计算法的多功能器件272

14.2聚焦波长分束器273

14.2.1建模274

14.2.2二值化276

14.2.3正则化279

14.2.4加工测试281

14.2.5测试结果285

14.2.6鲁棒性分析287

14.2.7三通道聚焦波长分束器288

14.3本章小结289

参考文献289

第五部分微纳光子器件的应用

第15章偏振不敏感量子干涉仪293

15.1研究背景293

15.2偏振不敏感量子干涉仪的设计295

15.2.1MMI多模干涉耦合器的原理295

15.2.2MMI分束器参数的优化295

15.2.3MZI的工作原理300

15.3本章总结302

参考文献303

第16章偏振不敏感3×3量子干涉系统304

16.1研究背景304

16.2基本原理305

16.2.1 3×3量子干涉仪的基本原理305

16.2.2偏振不敏感3×3MMI耦合器的设计308

16.2.3偏振不敏感3×3MMI耦合器参数优化310

16.3本章总结314

参考文献315

第17章热伪装微结构设计及其应用316

17.1引言316

17.2热伪装的基本理论317

17.2.1热成像基本原理317

17.2.2中红外大气透明窗口318

17.3基于反向设计的微结构应用于兼容热管理的热伪装319

17.3.1热伪装超表面结构设计320

17.3.2热伪装超表面原理分析322

17.3.3热伪装超表面性能评价324

17.4激光操控热伪装微结构及多功能热伪装329

17.4.1热伪装微结构设计及制备329

17.4.2热伪装性能表征及热源伪装数值模拟334

参考文献343

第18章红外辐射调控及其应用346

18.1引言346

18.2基于反向设计的太阳光吸收体346

18.2.1反向设计超表面结构347

18.2.2单层纳米柱及双层纳米柱数值模拟分析347

18.2.3反向设计超表面性能评估352

18.3基于反向设计的类光子晶体辐射器应用于辐射冷却358

18.3.1类光子晶体辐射器反向设计358

18.3.2类光子晶体辐射器性能评估361

18.4基于石墨烯的可调器件设计及其应用368

18.4.1石墨烯超表面图案化设计368

18.4.2石墨烯电导率可调理论369

18.4.3石墨烯超表面应用于多功能光器件调制370

参考文献378