项目简介：  

用光子晶体来操控光子的关键是光子能隙的存在。光子能隙与结构的空间分布及材料特性有关。自然界存在的高介电常数材料有限。而空间结构是可以人工设计的。我们在两个层次上调节介电结构的空间分布，研究其对能隙的影响。先是在周期结构中引入无序，改变局部电磁场来影响能隙。然后改变结构对称性，研究准晶和非晶光子晶体。1．第一次在实验上实现一维无序光子晶体的光子定域。提出并证实了用周期结构的无序来扩展一维光子能隙的新方法。引文1认为，一维光子定域的开创性实验是由我们完成的(论文1)。引文2介绍了我们的方法(论文2)及其发展和应用于硅基器件。2．第一次提出并在理论和实验上系统研究了用介质金属复合结构来改变局部电场方法扩展了光子能隙(论文3,4)，引文3认为，这种方法具有重要的实用价值。并在此类复合结构中调节色散关系影响光传播特性。第一次在实验上得到折射率接近－1，遵从透镜像距加物距等于样品厚度规则的非近场平板光子晶体负折射成像。3．在无平移对称性的八重准晶二维光子晶体中第一次观察到了与方向无关的各向同性光子能隙。这是无平移对称性光子晶体存在完全能隙的第一次实验证实。论文5发表后， Laser focus world 的Newsbreaks专栏上专门做了介绍和评论。在十二重光子准晶中预言并观察到光的负折射效应(论文9)，引文4认为这是从周期到非周期变化中出现的一个新概念。4．提出光子能隙出现是由结构的短程序决定的。在既无平移也无转动对称性只有短程序的二维非晶光子晶体中，从实验和理论上证实了这一新想法(论文7)。这是对光子晶体能隙机理认识的深化，正越来越受到国际同行的认同(引文9,10)。我们推广这一概念到二阶非线性极化率的调制结构中去，在理论和实验上第一次得到连续的倒格矢分布，并在实验上实现在可见光波段连续可调的二次谐波。发表文章总数为 30篇：PRL 1，PR B 13，APL 6，其他 10。总他引:463。十篇代表性论文他引:239。

主要发现点：

1，在设计制备了合适的一维无序光子晶体及选择适当的研究方案的基础上，第一次在实验上实现了一维无序光子晶体的光子定域。国际同行认为，一维光子定域的开创性实验是由我们完成的。并在此基础上提出并实验验证了用周期结构的无序来扩展一维光子能隙的新方法。这种方法在后来有了进一步的发展及应用。(与光学有关的交叉学科和物理光学) （论文1，2）

2，第一次提出并实现了用介质金属复合结构来改变局部电场方法从而扩展了二维光子晶体的光子能隙。进一步在此类复合结构中调节光子晶体的色散关系从而影响了光传播特性。第一次在实验上得到了折射率接近－1，并遵从透镜像距U加物距V等于样品厚度L,即U+V/L =1,成象规则，的非近场平板光子晶体负折射成像。 (与光学有关的交叉学科和物理光学) （论文3，4）

3，设计并制备了无平移对称性的微波段二维准晶光子晶体，第一次观察到了与周期性光子晶体不同的与入射方向无关的各向同性光子能隙。这也是对无平移对称性光子晶体是否存在完全能隙的第一次实验证实。这与光子能隙产生机理有关。目前，这类光子晶体的研究正受到更多的关注。除了从能隙产生机理的角度外，由于其能隙的各向同性，原则上可以在其中构成任何方向的光波导去连接各种光子元件，十分有利于基于光子晶体的光子元件的集成。进一步，在各向同性的十二重准晶光子晶体中预言并观察到电磁波的负折射及平板成像效应，这是第一次在非周期的光子晶体中发现负折射效应。(与光学有关的交叉学科和物理光学) （论文，5，6，8，9，10）

4，光子晶体的概念是从与电子在晶体中的运动类比得来的。我们更深入的走了一步，从与非晶固体的类比出发，提出了光子能隙是由介电结构的短程序决定的。设计并制备了既无平移也无转动对称性，只有短程序的二维非晶光子晶体，并从实验和理论上证实了这种新想法。这是对光子晶体能隙机理认识的一个深化。进一步，我们推广这个概念到二阶非线性极化率的二维调制结构中去，在原理上找到了得到各向同性和连续分布的倒格矢的方法，并在二维铌酸锂非线性光子晶体中第一次实现了了连续的倒格矢分布，得到在整个可见光波段连续可调的二次谐波。这种连续的倒格矢使得多个基于准位相匹配的非线性相互作用可以同时存在，扩展了利用准位相匹配产生相干光源的应用范围。(与光学有关的交叉学科和物理光学) （论文7）

主要完成人：

1.  张道中

提出了用可见－近红外波段的无序多层膜来研究一维光子定域效应及用多层膜层厚的无序来扩展一维光子能隙的新方法，设计和制备了多层膜样品，并在光学实验上实现（发现点1，论文 1，2）。提出并参与了在微波波段研究二维金属介质复合型光子晶体，准晶光子晶体光子能隙及光传输特性的研究，实现了与方向无关的光子能隙及负折射成像（发现点2，3，论文 5，9）。参与提出及证实光子晶体结构的短程序是光子能隙出现的必要条件的研究（发现点4，论文 7）。此项研究占本人当时全部工作量的 85％。

2.  程丙英

负责一维光子定域及扩展光子能隙研究的光学实验，建立了测试设备，提高了探测精度，解决了无序多层膜的极其微弱的透射光的测量问题，观察到透射光强与膜厚的指数关系这一光子定域的判据（发现点1，论文 1，2）。参与设计和制备在微波波段研究金属介质复合型，准晶及非晶二维光子晶体的实验系统，在建立实验系统及相应的实验研究中起重要作用（发现点2，3，4，论文 3，5，7，9）。此项研究占本人当时全部工作量的95％

3.  金崇君

在介质－金属复合型和准晶光子晶体的研究中，从光子晶体结构的设计，设计及制备实验设备到微波波段的实验研究及结果分析都起了重要的作用，正是由于合用的设备和精湛的实验技术，能够分别观测到能隙的扩展和各向同性的能隙（发现点2，3，论文 3，5，6）。在提出并证实介电结构的短程序是光子能隙出现的必要条件的理论和实验研究中起了关键作用（发现点4，论文 7）。此项研究占本人当时全部工作量的95％。

4.  张向东

在利用介质－金属复合结构扩展光子能隙的理论研究中起了重要作用，对实验起了指导作用（发现点2，论文3，4）。在二维12重准晶的光子能隙及它的负折射成像性质的研究中从理论上分析计算了不同条件下的光传输特性，预言了负折射效应（发现点3，论文8,9）。并与实验人员配合第一次在非周期体系中观察到负折射及平板光子晶体的成像效应。此项研究占本人当时全部工作量的70％。

5.  王义全

在二维准晶光子晶体的研究中发现了周期结构中不存在的无缺陷局域模式，这使得这类结构有着新的光传输性质。在准晶光子晶体负折射的实验研究中起了重要作用（发现点3，论文9，10）。系统的研究了只有短程序的非晶光子晶体的能隙性质，得到：有没有光子晶体能隙是由短程序决定的，而能隙的具体位置是由这些短程有序结构之间的平均距离决定的。这些完善了我们对非晶结构的了解（发现点4）。此项研究占本人当时全部工作量的95％。

10篇代表性论文：

1.   Experimental verification of light localization for disordered multilayers in the visible-infrared spectrumPHYSICAL REVIEW B

2.   Broad-band optical reflector- an application of light localization in one-dimensionAPPLIED PHYSICS LETTERS

3.   Two-dimensional metallodielectric photonic crystal with a large band gapAPPLIED PHYSICS LETTERS

4.   Enlarging a photonic band gap by using insertionPHYSICAL REVIEW B

5.   Band gap and wave guiding effect in a quasiperiodic photonic crystalAPPLIED PHYSICS LETTERS

6.   Two-dimensional dodecagonal and decagonal quasiperiodic photonic crystals in the microwave regionPHYSICAL REVIEW B

7.   Photonic gap in amorphous photonic materialsPHYSICAL REVIEW B

8.   Absolute photonic band gaps in 12-fold symmetric photonic quasicrystalsPHYSICAL REVIEW B

9.   Negative refraction and imaging using 12-fold-symmetry quasicrystalsPHYSICAL REVIEW LETTERS

10.  Localized modes in defect-free dodecagonal quasiperiodic photonic crystals PHYSICAL REVIEW B