項目簡介：  

用光子晶體來操控光子的關(guān)鍵是光子能隙的存在。光子能隙與結(jié)構(gòu)的空間分布及材料特性有關(guān)。自然界存在的高介電常數(shù)材料有限。而空間結(jié)構(gòu)是可以人工設(shè)計的。我們在兩個層次上調(diào)節(jié)介電結(jié)構(gòu)的空間分布，研究其對能隙的影響。先是在周期結(jié)構(gòu)中引入無序，改變局部電磁場來影響能隙。然后改變結(jié)構(gòu)對稱性，研究準(zhǔn)晶和非晶光子晶體。1．第一次在實驗上實現(xiàn)一維無序光子晶體的光子定域。提出并證實了用周期結(jié)構(gòu)的無序來擴(kuò)展一維光子能隙的新方法。引文1認(rèn)為，一維光子定域的開創(chuàng)性實驗是由我們完成的(論文1)。引文2介紹了我們的方法(論文2)及其發(fā)展和應(yīng)用于硅基器件。2．第一次提出并在理論和實驗上系統(tǒng)研究了用介質(zhì)金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)來改變局部電場方法擴(kuò)展了光子能隙(論文3,4)，引文3認(rèn)為，這種方法具有重要的實用價值。并在此類復(fù)合結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)色散關(guān)系影響光傳播特性。第一次在實驗上得到折射率接近－1，遵從透鏡像距加物距等于樣品厚度規(guī)則的非近場平板光子晶體負(fù)折射成像。3．在無平移對稱性的八重準(zhǔn)晶二維光子晶體中第一次觀察到了與方向無關(guān)的各向同性光子能隙。這是無平移對稱性光子晶體存在完全能隙的第一次實驗證實。論文5發(fā)表后， Laser focus world 的Newsbreaks專欄上專門做了介紹和評論。在十二重光子準(zhǔn)晶中預(yù)言并觀察到光的負(fù)折射效應(yīng)(論文9)，引文4認(rèn)為這是從周期到非周期變化中出現(xiàn)的一個新概念。4．提出光子能隙出現(xiàn)是由結(jié)構(gòu)的短程序決定的。在既無平移也無轉(zhuǎn)動對稱性只有短程序的二維非晶光子晶體中，從實驗和理論上證實了這一新想法(論文7)。這是對光子晶體能隙機(jī)理認(rèn)識的深化，正越來越受到國際同行的認(rèn)同(引文9,10)。我們推廣這一概念到二階非線性極化率的調(diào)制結(jié)構(gòu)中去，在理論和實驗上第一次得到連續(xù)的倒格矢分布，并在實驗上實現(xiàn)在可見光波段連續(xù)可調(diào)的二次諧波。發(fā)表文章總數(shù)為 30篇：PRL 1，PR B 13，APL 6，其他 10。總他引:463。十篇代表性論文他引:239。

主要發(fā)現(xiàn)點：

1，在設(shè)計制備了合適的一維無序光子晶體及選擇適當(dāng)?shù)难芯糠桨傅幕�礎(chǔ)上，第一次在實驗上實現(xiàn)了一維無序光子晶體的光子定域。國際同行認(rèn)為，一維光子定域的開創(chuàng)性實驗是由我們完成的。并在此基礎(chǔ)上提出并實驗驗證了用周期結(jié)構(gòu)的無序來擴(kuò)展一維光子能隙的新方法。這種方法在后來有了進(jìn)一步的發(fā)展及應(yīng)用。(與光學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科和物理光學(xué)) （論文1，2）

2，第一次提出并實現(xiàn)了用介質(zhì)金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)來改變局部電場方法從而擴(kuò)展了二維光子晶體的光子能隙。進(jìn)一步在此類復(fù)合結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)光子晶體的色散關(guān)系從而影響了光傳播特性。第一次在實驗上得到了折射率接近－1，并遵從透鏡像距U加物距V等于樣品厚度L,即U+V/L =1,成象規(guī)則，的非近場平板光子晶體負(fù)折射成像。 (與光學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科和物理光學(xué)) （論文3，4）

3，設(shè)計并制備了無平移對稱性的微波段二維準(zhǔn)晶光子晶體，第一次觀察到了與周期性光子晶體不同的與入射方向無關(guān)的各向同性光子能隙。這也是對無平移對稱性光子晶體是否存在完全能隙的第一次實驗證實。這與光子能隙產(chǎn)生機(jī)理有關(guān)。目前，這類光子晶體的研究正受到更多的關(guān)注。除了從能隙產(chǎn)生機(jī)理的角度外，由于其能隙的各向同性，原則上可以在其中構(gòu)成任何方向的光波導(dǎo)去連接各種光子元件，十分有利于基于光子晶體的光子元件的集成。進(jìn)一步，在各向同性的十二重準(zhǔn)晶光子晶體中預(yù)言并觀察到電磁波的負(fù)折射及平板成像效應(yīng)，這是第一次在非周期的光子晶體中發(fā)現(xiàn)負(fù)折射效應(yīng)。(與光學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科和物理光學(xué)) （論文，5，6，8，9，10）

4，光子晶體的概念是從與電子在晶體中的運(yùn)動類比得來的。我們更深入的走了一步，從與非晶固體的類比出發(fā)，提出了光子能隙是由介電結(jié)構(gòu)的短程序決定的。設(shè)計并制備了既無平移也無轉(zhuǎn)動對稱性，只有短程序的二維非晶光子晶體，并從實驗和理論上證實了這種新想法。這是對光子晶體能隙機(jī)理認(rèn)識的一個深化。進(jìn)一步，我們推廣這個概念到二階非線性極化率的二維調(diào)制結(jié)構(gòu)中去，在原理上找到了得到各向同性和連續(xù)分布的倒格矢的方法，并在二維鈮酸鋰非線性光子晶體中第一次實現(xiàn)了了連續(xù)的倒格矢分布，得到在整個可見光波段連續(xù)可調(diào)的二次諧波。這種連續(xù)的倒格矢使得多個基于準(zhǔn)位相匹配的非線性相互作用可以同時存在，擴(kuò)展了利用準(zhǔn)位相匹配產(chǎn)生相干光源的應(yīng)用范圍。(與光學(xué)有關(guān)的交叉學(xué)科和物理光學(xué)) （論文7）

主要完成人：

1.  張道中

提出了用可見－近紅外波段的無序多層膜來研究一維光子定域效應(yīng)及用多層膜層厚的無序來擴(kuò)展一維光子能隙的新方法，設(shè)計和制備了多層膜樣品，并在光學(xué)實驗上實現(xiàn)（發(fā)現(xiàn)點1，論文 1，2）。提出并參與了在微波波段研究二維金屬介質(zhì)復(fù)合型光子晶體，準(zhǔn)晶光子晶體光子能隙及光傳輸特性的研究，實現(xiàn)了與方向無關(guān)的光子能隙及負(fù)折射成像（發(fā)現(xiàn)點2，3，論文 5，9）。參與提出及證實光子晶體結(jié)構(gòu)的短程序是光子能隙出現(xiàn)的必要條件的研究（發(fā)現(xiàn)點4，論文 7）。此項研究占本人當(dāng)時全部工作量的 85％。

2.  程丙英

負(fù)責(zé)一維光子定域及擴(kuò)展光子能隙研究的光學(xué)實驗，建立了測試設(shè)備，提高了探測精度，解決了無序多層膜的極其微弱的透射光的測量問題，觀察到透射光強(qiáng)與膜厚的指數(shù)關(guān)系這一光子定域的判據(jù)（發(fā)現(xiàn)點1，論文 1，2）。參與設(shè)計和制備在微波波段研究金屬介質(zhì)復(fù)合型，準(zhǔn)晶及非晶二維光子晶體的實驗系統(tǒng)，在建立實驗系統(tǒng)及相應(yīng)的實驗研究中起重要作用（發(fā)現(xiàn)點2，3，4，論文 3，5，7，9）。此項研究占本人當(dāng)時全部工作量的95％

3.  金崇君

在介質(zhì)－金屬復(fù)合型和準(zhǔn)晶光子晶體的研究中，從光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計及制備實驗設(shè)備到微波波段的實驗研究及結(jié)果分析都起了重要的作用，正是由于合用的設(shè)備和精湛的實驗技術(shù)，能夠分別觀測到能隙的擴(kuò)展和各向同性的能隙（發(fā)現(xiàn)點2，3，論文 3，5，6）。在提出并證實介電結(jié)構(gòu)的短程序是光子能隙出現(xiàn)的必要條件的理論和實驗研究中起了關(guān)鍵作用（發(fā)現(xiàn)點4，論文 7）。此項研究占本人當(dāng)時全部工作量的95％。

4.  張向東

在利用介質(zhì)－金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)擴(kuò)展光子能隙的理論研究中起了重要作用，對實驗起了指導(dǎo)作用（發(fā)現(xiàn)點2，論文3，4）。在二維12重準(zhǔn)晶的光子能隙及它的負(fù)折射成像性質(zhì)的研究中從理論上分析計算了不同條件下的光傳輸特性，預(yù)言了負(fù)折射效應(yīng)（發(fā)現(xiàn)點3，論文8,9）。并與實驗人員配合第一次在非周期體系中觀察到負(fù)折射及平板光子晶體的成像效應(yīng)。此項研究占本人當(dāng)時全部工作量的70％。

5.  王義全

在二維準(zhǔn)晶光子晶體的研究中發(fā)現(xiàn)了周期結(jié)構(gòu)中不存在的無缺陷局域模式，這使得這類結(jié)構(gòu)有著新的光傳輸性質(zhì)。在準(zhǔn)晶光子晶體負(fù)折射的實驗研究中起了重要作用（發(fā)現(xiàn)點3，論文9，10）。系統(tǒng)的研究了只有短程序的非晶光子晶體的能隙性質(zhì)，得到：有沒有光子晶體能隙是由短程序決定的，而能隙的具體位置是由這些短程有序結(jié)構(gòu)之間的平均距離決定的。這些完善了我們對非晶結(jié)構(gòu)的了解（發(fā)現(xiàn)點4）。此項研究占本人當(dāng)時全部工作量的95％。

10篇代表性論文：

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