[0001] 本发明属于光子晶体与能量传输技术领域，具体涉及一种拓扑保护电磁能量合束器，通过设计多种具有不同拓扑指标的钇铁石榴石(YIG)光子晶体并按级联构型拼接，实现任意相位、高效率、宽带宽、通道数显著增加的多通道电磁能量合束。

[0002] 高能量密度的电磁波束，作为现代科技的重要基石，其在激光武器、激光粒子加速器、先进材料制造及外科医疗等领域展现出了前所未有的应用潜力。特别是在微波频段，高能波束系统已用于定向能量辐射、缔约能量转移及高能雷达等前沿领域，极大推动了相关技术的发展。然而，面对日益增长的应用需求，单个激光器的功率放大却遇到了物理本质上的多重限制，包括非线性效应、热管理难题、光学元件损伤风险以及泵浦功率的局限性。这些挑战严重制约了高能量电磁波束的进一步发展和应用。

[0003] 为了克服单个激光器功率放大的限制，电磁能量合束技术应用而生，成为实现高能电磁波束输出的重要途径。该技术主要分为相干合束与非相干合束两种方式。相干合束技术通过精确控制多个电磁波之间的频率、相位差、振幅和偏振等参数，使它们能够发生相长干涉，从而显著增强输出光束的能量密度。这一技术对相位等参数的精准调控要求极高，依赖于复杂的相位反馈与控制系统，增加了技术实现的难度和成本。

[0004] 相较于相干合束技术，非相干合束技术凭借其调试简便、无需严格相位匹配等优势，成为了一个极具潜力的研究方向。然而，这一技术同样面临着挑战，主要在于其合束机制的复杂性以及对特定器件的依赖，如偏振光束组合器等被动合束设备，在实际应用中受到输入通道数量与功率正交性要求的严格限制，从而制约了其扩展性和应用范围的进一步扩大。

[0005] 拓扑边界态为开发多通道鲁棒光子器件和光功率操控提供了一条颇有前景的道路。特别地，拓扑边界态具有无后向散射特性，这为理论上实现无损电磁合束提供了可能。此外，拓扑边界态的功率正交激发原理解除了传统非相干合束原理因功率正交性要求所产生的输入通道数限制。然而，其通道数仍受器件构型限制，本发明人在另一发明专利中通过采用螺旋楼梯构型实现了2通道和3通道的拓扑保护电磁能量合束器。为拓展至更多通道，则需进一步优化器件构型。

[0050] 下面结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实例如下：

[0051] 实施例1

[0052] 参见图1‑4，本实施例将6种拓扑指标不同的光子晶体按级联构型进行拼接，构成拓扑保护5通道电磁能量合束器。

[0053] 本实施例展示了一种5通道电磁能量合束器，包含6种YIG光子晶体按级联构型排列构成的光子晶体群(1)，见图3。设计上，顶部五通道专用于能量输入，底部单通道则汇集输出。这些光子晶体群(1)中，YIG柱体嵌入第一覆铜基板(2)和第二覆铜基板(3)之间，构筑成三维立体结构，且第二覆铜基板(3)下配置钕铁硼磁体(4)以增强性能，见图1，仅通过调整YIG柱体半径，即可实现光子晶体的差异化设计，见图3。

[0054] 为满足对应的输入/输出通道功能，根据边界态数目等于相邻光子晶体拓扑指标之差，本实施例将6种光子晶体的拓扑指标分别设计为0、1、2、‑1、‑2和‑3(见图3)。

[0055] 在本实施例中，6种光子晶体的YIG柱体半径分别为0.4748、0.4054、0.4172、0.3038、0.4172和0.3931cm，对应的晶格常数分别为1.8054、2.1452、2.7814、2.0253、
2.7814和3.6396cm。这6种YIG光子晶体的拓扑非平庸光子晶体能带如图2所示。由图可知，6幅子图中阴影区域代表的带隙具有重叠部分，因而这些光子晶体能够集成于同一系统中。

[0056] 在本实施例中，5通道电磁能量合束器的全波仿真如图3所示。5路电磁能量从上方5个边界中输入，随后在中间纵向边界中完成合束并输出。具体地，拼接次序如下：

[0057] S1：所述6种光子晶体按3×2矩阵格局进行排列；

[0058] S2：将拓扑指标分别为0、1和2的光子晶体放在矩阵的第一列，并依次从上往下排列；其中，拓扑指标为1的光子晶体与拓扑指标为0和2的光子晶体在边界分别产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道1和2；

[0059] S3：将拓扑指标分别为‑1、‑2和‑3的光子晶体放在矩阵的第二列，并依次从上往下排列；其中，拓扑指标为‑2的光子晶体与拓扑指标为‑1和‑3的光子晶体在边界分别产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道3和4；

[0060] 拓扑指标为0和‑1的光子晶体在边界分别产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道5；

[0061] 由此，光子晶体矩阵形成5个单边界态输入通道，输入通道1～4都是第一方向(图3为横向)传播的，输入通道5是第二方向(图3为纵向)传播的；

[0062] 拓扑指标为1和‑2的光子晶体在边界产生3个拓扑边界态，拓扑指标为2和‑3的光子晶体在边界产生5个拓扑边界态，它们首尾相接而构成一个贯通的第二方向输出通道。

[0063] 在本实施例中，图4展示了合束效率与频率和相位差的关系，可知合束器性能与相位差无关，但与工作频率相关，即存在一定工作带宽。

[0064] 实施例2

[0065] 参见图5‑9，本实施例的结构设计过程与实施例1基本相同，特别之处在于：

[0066] 本实施例同样采用6种光子晶体并按3×2矩阵格局进行排列，形成级联构型，但为构造拓扑保护6通道电磁能量合束器，它们的拓扑指标分别重新设计为1、2、3、‑1、‑2和‑3。

[0067] 本实施例中，6种光子晶体的YIG柱体半径分别为0.81、0.83、0.79、0.81、0.83和0.79mm，对应晶格常数分别为4.29、5.56、7.28、4.29、5.56和7.28mm。

[0068] 本实施例中，拓扑保护6通道电磁能量合束器的全波仿真模场分布如图5所示。6路电磁能量从6个横向边界中输入，随后依次汇入3个纵向边界并最终在最下方纵向边界中完成6路电磁能量合束。拼接次序如下：

[0069] S1：所述6种光子晶体按3×2矩阵格局进行排列；

[0070] S2：将拓扑指标分别为1、2和3的光子晶体放在矩阵的第一列，并依次从上往下排列；其中，拓扑指标为1的光子晶体在与拓扑指标为2的光子晶体形成的边界所相对的另一边界产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道1；拓扑指标为2的光子晶体与拓扑指标为1和3的光子晶体在边界分别产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道2和3；

[0071] S3：将拓扑指标分别为‑1、‑2和‑3的光子晶体放在矩阵的第二列，并依次从上往下排列；其中，拓扑指标为‑1的光子晶体在与拓扑指标为‑2的光子晶体形成的边界所相对的另一边界产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道4；拓扑指标为‑2的光子晶体与拓扑指标为‑1和‑3的光子晶体在边界分别产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道5和6；

[0072] 由此，光子晶体矩阵形成6个单边界态输入通道，它们都是第一方向(图5为横向)传播的；

[0073] 在矩阵的3行上形成有3个边界，分别形成1个双边界态通道、1个四边界态通道和1个六边界态通道，它们首尾相接而构成一个贯通的第二方向(图5中为纵向)输出通道。

[0074] 本实施例中，图6仿真了拓扑保护6通道电磁能量合束器的合束效率随工作频率的变化，展示了其高效宽带特性：工作带宽为1.65GHz，同时合束效率高于95％。

[0075] 进一步地，在所述拓扑保护6通道电磁能量合束器的输出通道中引入狄拉克锥能带结构晶体，具体为石墨烯，能带结构如图7所述。

[0076] 狄拉克锥能带结构晶体嵌入合束器输出通道后，会扩宽近场波束宽度，如图8所示。

[0077] 随着狄拉克锥能带结构晶体的层数增加，远场波瓣明显变窄，也即远场波束宽度变窄(见图9)，从而能够增强输出耦合效率。

[0078] 综上所述，上述实施例1‑2展示了拓扑保护级联构型5通道和6通道的电磁能量合束器的结构设计过程。在输出通道中嵌入狄拉克锥能带结构晶体，减小了远场波束宽度，从而增强了输出耦合效率。

[0079] 上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。