本发明属于光子晶体与能量传输，具体涉及一种拓扑保护电磁能量合束的新型结构，通过调控多种yig光子晶体的拓扑指标并拼接，建构多个单边界态输入通道和1个多边界态输出通道，实现任意相位、高效率、宽带宽、可拓展的多通道电磁能量合束。
背景技术：
1、高能量密度的电磁波束在包括激光武器/激光粒子加速器/先进材料制造/外科医疗等众多领域具有广阔的应用前景。在微波频段，高能电磁波束系统已在定向能量辐射/地月能量转移以及高能雷达等应用场景展现了巨大的潜力。然而，对于单个激光器的功率放大存在着物理本质上的限制,包括非线性效应、热问题、光学损伤及泵浦功率限制等。因此将多个激光器的输出功率组合成为获得高能电磁波束的一种重要技术手段。
2、连续波的电磁能量合束分为相干合束与非相干合束两种方式。相干合束技术是通过控制单元电磁波之间的频率、相位差、振幅和偏振等参数，使得多个电磁波能够发生相长干涉从而获得高能电磁波束。其强烈依赖于对输入通道电磁波相位等参数的精准调制，以保持它们在时间和空间上相干性。相干合束技术的巨大潜力过去几十年中其取得了许多重要进展，但目前其仍受限于复杂的相位反馈与控制系统。
3、非相干合束技术指通过光谱合束、偏振合束以及空间合束等方法将多路电磁波合成一束高能电磁波束。相比于相干合束，非相干合束没有相位，振幅等要求，容易调试，但是其受合束机理及所需器件的限制。例如偏振光束组合器等被动型合束器，其输入通道的数目被功率正交性要求下的偏振数目限制。
技术实现思路
1、有鉴于现有电磁能量合束技术中存在的上述不足，本发明为了解决这些技术问题，提供一种拓扑保护钇铁石榴石(yig)光子晶体电磁能量合束器。本发明电磁能量合束器支持电磁波以边界态形式在光子晶体边界传播。由于边界态具有无散射单向传输特性以及功率正交特性，可实现与输入电磁波相位无关的高功率宽带电磁能量合束器。
2、为达到上述发明创造目的，本发明的构思是：
3、本发明所述的一种拓扑保护电磁能量合束器，采用拓扑保护机制，模式正交激发实现无散射的单向传输拓扑边界态，所述模式正交激发为不同输入通道中边界态相互正交，不发生干涉相消，电磁能量合束器性能与输入通道电磁波相位无关。所述边界态相互正交的表征方法是两个边界态之间具有功率正交性，即它们在能量意义上的內积为零。所述合束器在结构组成上包括：yig柱体阵列构成的光子晶体，包围光子晶体的上下层覆铜基板。优选地，所述合束器还包括调控yig材料相对磁导率张量的钕铁硼磁体。将具有不同拓扑指标的yig光子晶体拼接在一起，在两者边界处产生拓扑边界态且其数目等于两者拓扑指标之差，可通过调控多种光子晶体的拓扑指标数值并进行拼接，实现电磁能量合束功能。此外，边界态具有无散射单向传输特性和能量正交特性，且对结构缺陷和杂质不敏感，因此通过结构优化可实现任意相位、高效率、宽带宽和可拓展的拓扑保护多通道电磁能量合束器。所述拓扑边界态为拓扑非平庸光子晶体的重要性质，沿光子晶体边界传播，具有单向性和无散射特性，且拓扑边界态数目等于边界两侧光子晶体的拓扑指标之差。
4、所述光子晶体通过yig柱体按正方晶格排列而成，通过调控yig柱体的直径，可使得相应光子晶体具有不同的拓扑指标，也即构建出具有不同拓扑特性的光子晶体。所述拓扑指标为光子晶体带隙之下所有能带的拓扑数之和，所述拓扑数为作为拓扑不变量之一的陈数。
5、所述上下两层覆铜基板将yig光子晶体包围在中间，从而将电磁能量局域在两层覆铜基板之间，仅在光子晶体中传播。
6、所述yig材料具有磁各向异性响应，在外加磁场下会产生铁磁共振现象，且具有介电常数高、介电损耗低、饱和磁化强度大、铁磁共振线宽窄等优良特性。利用钕铁硼磁体可对yig施加外部磁场，优化光子晶体参数。
7、根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
8、一种拓扑保护电磁能量合束器，组成部分包括从上而下依次连接的第一覆铜基板、光子晶体群和第二覆铜基板，光子晶体群由多种光子晶体拼接而成，所述光子晶体为正方晶格yig柱体的矩形阵列，每个阵列的yig柱体具有不同直径，以使每种光子晶体具有不同的拓扑指标，所述拓扑指标为光子晶体带隙之下所有能带的拓扑数之和；
9、相邻的光子晶体在边界产生第一方向或第二方向无散射的单向传输拓扑边界态，且拓扑边界态数目等于边界两侧光子晶体的拓扑指标之差，所述第一方向和第二方向相互垂直；
10、拓扑边界态数目等于1的单向传输拓扑边界态构成输入通道，不同输入通道中边界态相互正交，不发生干涉相消，所述电磁能量合束器性能与输入通道电磁波相位无关；
11、拓扑边界态数目大于1的拓扑边界态构成输出通道，且所有的输出通道在同一直线上。
12、可选地，所述光子晶体群由拓扑指标分别为0、1、-1的光子晶体以相互邻接的方式拼接而成。
13、根据本发明一具体实施例，所述拓扑指标分别为0、1、-1的光子晶体进行拼接，次序如下：
14、放置拓扑指标为0的光子晶体，其余2种光子晶体皆以此为参考，紧邻其排列；
15、在拓扑指标为0的光子晶体右上侧放置拓扑指标为1的光子晶体，这两者边界可产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道1；
16、在拓扑指标为0的光子晶体右下侧放置拓扑指标为-1的光子晶体，这两者边界可产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道2；
17、拓扑指标为-1的光子晶体同时也在拓扑指标为1的光子晶体下侧，这两者边界可产生2个拓扑边界态，作为电磁能量合束后的输出通道。
18、可选地，通过调控yig柱体直径建构3种拓扑指标不同的光子晶体。进一步地，所述拓扑指标为-1、1、0的光子晶体的yig柱体半径分别为0.152*l、0.202*l和0.360*l，其中l指晶格常数，等于2cm。
19、可选地，所述光子晶体群由拓扑指标分别为-1、0、1、2的光子晶体以顺时针方式拼接而成，其中拓扑指标为0的光子晶体分别与拓扑指标为1、-1的光子晶体邻接，且拓扑指标为2的光子晶体分别与拓扑指标为1、-1的光子晶体邻接。
20、优选地，所述拓扑指标分别为-1、0、1、2的光子晶体进行拼接，次序如下：
21、s1：放置拓扑指标为0的光子晶体，其余3种光子晶体皆以此为参考，紧邻其排列；
22、s2：在拓扑指标为0的光子晶体右侧放置拓扑指标为1的光子晶体，这两者边界可产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道1；
23、s3：在拓扑指标为1的光子晶体下侧放置拓扑指标为2的光子晶体，这两者边界可产生1个拓扑边界态，作为电磁能量输入通道2；
24、s4：在拓扑指标为0的光子晶体下侧放置拓扑指标为-1的光子晶体，拓扑指标为-1的光子晶体同时也在拓扑指标为2的光子晶体左侧，其中，拓扑指标为0和1的光子晶体的边界可产生1个边界态，作为电磁能量输入通道3，拓扑指标为-1和2的光子晶体的边界可产生3个边界态，作为电磁能量合束后的输出通道。
25、可选地，通过调控yig柱体直径建构4种拓扑指标不同的光子晶体。进一步地，所述拓扑指标为-1、0、1、2的光子晶体的yig柱体半径分别为1.13、1.36、1.54和1.66mm，对应的晶格常数分别为7.14、6.55、7.87和10.26mm。
26、进一步地，所述合束器还包括位于第二覆铜基板下方的钕铁硼磁体，所述钕铁硼磁体通过磁场对具有磁各向异性的yig光子晶体参数进行优化，使系统处于铁磁共振状态。
27、进一步地，所述钕铁硼磁体呈阵列分布，并与所述光子晶体的yig柱体阵列一一对应。即处于阵列中的每个钕铁硼磁体处于对应yig柱体的正下方，以调控光子晶体参数，使系统处于铁磁共振状态，在此状态下yig柱体对电磁波的吸收达最大值。
28、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
29、1.本发明基于存在于yig光子晶体边界上的拓扑边界态具有无散射单向传输特性，因此电磁能量合束效率高，且边界态之间能量正交，因而拓扑保护电磁能量合束器性能与输入电磁波相位无关，极大增强了合束器稳定性；
30、2.本发明通过优化yig光子晶体的拓扑非平庸能带间隙，可显著提高电磁能量合束器的工作带宽；
31、3.本发明具有小型化、集成化、模块化等优点，且具有可拓展性，为电磁能量合束器提供了新的设计平台。
1.一种拓扑保护电磁能量合束器，其特征在于，组成部分包括从上而下依次连接的第一覆铜基板、光子晶体群和第二覆铜基板，光子晶体群由多种光子晶体拼接而成，所述光子晶体为正方晶格yig柱体的矩形阵列，每个阵列的yig柱体具有不同直径，以使每种光子晶体具有不同的拓扑指标，所述拓扑指标为光子晶体带隙之下所有能带的拓扑数之和；
2.根据权利要求1所述的合束器，其特征在于，所述光子晶体群由拓扑指标分别为0、1、-1的光子晶体以相互邻接的方式拼接而成。
3.根据权利要求2所述的合束器，其特征在于，所述拓扑指标分别为0、1、-1的光子晶体进行拼接，次序如下：
4.根据权利要求3所述的合束器，其特征在于，所述拓扑指标为-1、1、0的光子晶体的yig柱体半径分别为0.152*l、0.202*l和0.360*l，其中l指晶格常数，等于2cm。
5.根据权利要求1所述的合束器，其特征在于，所述光子晶体群由拓扑指标分别为-1、0、1、2的光子晶体以顺时针方式拼接而成，其中拓扑指标为0的光子晶体分别与拓扑指标为1、-1的光子晶体邻接，且拓扑指标为2的光子晶体分别与拓扑指标为1、-1的光子晶体邻接。
6.根据权利要求5所述的合束器，其特征在于，所述拓扑指标分别为-1、0、1、2的光子晶体进行拼接，次序如下：
7.根据权利要求6所述的合束器，其特征在于，所述拓扑指标为-1、0、1、2的光子晶体的yig柱体半径分别为1.13、1.36、1.54和1.66mm，对应的晶格常数分别为7.14、6.55、7.87和10.26mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的合束器，其特征在于，所述合束器还包括位于第二覆铜基板下方的钕铁硼磁体，所述钕铁硼磁体通过磁场对具有磁各向异性的yig光子晶体参数进行优化，使系统处于铁磁共振状态。
