項目簡介：  

用光子晶體來操控光子的關鍵是光子能隙的存在。光子能隙與結構的空間分布及材料特性有關。自然界存在的高介電常數材料有限。而空間結構是可以人工設計的。我們在兩個層次上調節介電結構的空間分布，研究其對能隙的影響。先是在周期結構中引入無序，改變局部電磁場來影響能隙。然后改變結構對稱性，研究準晶和非晶光子晶體。1．第一次在實驗上實現一維無序光子晶體的光子定域。提出并證實了用周期結構的無序來擴展一維光子能隙的新方法。引文1認為，一維光子定域的開創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)及其發展和應用于硅基器件。2．第一次提出并在理論和實驗上系統研究了用介質金屬復合結構來改變局部電場方法擴展了光子能隙(論文3,4)，引文3認為，這種方法具有重要的實用價值。并在此類復合結構中調節色散關系影響光傳播特性。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則的非近場平板光子晶體負折射成像。3．在無平移對稱性的八重準晶二維光子晶體中第一次觀察到了與方向無關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。在十二重光子準晶中預言并觀察到光的負折射效應(論文9)，引文4認為這是從周期到非周期變化中出現的一個新概念。4．提出光子能隙出現是由結構的短程序決定的。在既無平移也無轉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理認識的深化，正越來越受到國際同行的認同(引文9,10)。我們推廣這一概念到二階非線性極化率的調制結構中去，在理論和實驗上第一次得到連續的倒格矢分布，并在實驗上實現在可見光波段連續可調的二次諧波。發表文章總數為 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。

主要發現點：

1，在設計制備了合適的一維無序光子晶體及選擇適當的研究方案的基礎上，第一次在實驗上實現了一維無序光子晶體的光子定域。國際同行認為，一維光子定域的開創性實驗是由我們完成的。并在此基礎上提出并實驗驗證了用周期結構的無序來擴展一維光子能隙的新方法。這種方法在后來有了進一步的發展及應用。(與光學有關的交叉學科和物理光學) （論文1，2）

2，第一次提出并實現了用介質金屬復合結構來改變局部電場方法從而擴展了二維光子晶體的光子能隙。進一步在此類復合結構中調節光子晶體的色散關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,成象規則，的非近場平板光子晶體負折射成像。 (與光學有關的交叉學科和物理光學) （論文3，4）

3，設計并制備了無平移對稱性的微波段二維準晶光子晶體，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。這與光子能隙產生機理有關。目前，這類光子晶體的研究正受到更多的關注。除了從能隙產生機理的角度外，由于其能隙的各向同性，原則上可以在其中構成任何方向的光波導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。進一步，在各向同性的十二重準晶光子晶體中預言并觀察到電磁波的負折射及平板成像效應，這是第一次在非周期的光子晶體中發現負折射效應。(與光學有關的交叉學科和物理光學) （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，提出了光子能隙是由介電結構的短程序決定的。設計并制備了既無平移也無轉動對稱性，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理認識的一個深化。進一步，我們推廣這個概念到二階非線性極化率的二維調制結構中去，在原理上找到了得到各向同性和連續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了了連續的倒格矢分布，得到在整個可見光波段連續可調的二次諧波。這種連續的倒格矢使得多個基于準位相匹配的非線性相互作用可以同時存在，擴展了利用準位相匹配產生相干光源的應用范圍。(與光學有關的交叉學科和物理光學) （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及用多層膜層厚的無序來擴展一維光子能隙的新方法，設計和制備了多層膜樣品，并在光學實驗上實現（發現點1，論文 1，2）。提出并參與了在微波波段研究二維金屬介質復合型光子晶體，準晶光子晶體光子能隙及光傳輸特性的研究，實現了與方向無關的光子能隙及負折射成像（發現點2，3，論文 5，9）。參與提出及證實光子晶體結構的短程序是光子能隙出現的必要條件的研究（發現點4，論文 7）。此項研究占本人當時全部工作量的 85％。

2.  程丙英

負責一維光子定域及擴展光子能隙研究的光學實驗，建立了測試設備，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，觀察到透射光強與膜厚的指數關系這一光子定域的判據（發現點1，論文 1，2）。參與設計和制備在微波波段研究金屬介質復合型，準晶及非晶二維光子晶體的實驗系統，在建立實驗系統及相應的實驗研究中起重要作用（發現點2，3，4，論文 3，5，7，9）。此項研究占本人當時全部工作量的95％

3.  金崇君

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

4.  張向東

在利用介質－金屬復合結構擴展光子能隙的理論研究中起了重要作用，對實驗起了指導作用（發現點2，論文3，4）。在二維12重準晶的光子能隙及它的負折射成像性質的研究中從理論上分析計算了不同條件下的光傳輸特性，預言了負折射效應（發現點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折射及平板光子晶體的成像效應。此項研究占本人當時全部工作量的70％。

5.  王義全

在二維準晶光子晶體的研究中發現了周期結構中不存在的無缺陷局域模式，這使得這類結構有著新的光傳輸性質。在準晶光子晶體負折射的實驗研究中起了重要作用（發現點3，論文9，10）。系統的研究了只有短程序的非晶光子晶體的能隙性質，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構之間的平均距離決定的。這些完善了我們對非晶結構的了解（發現點4）。此項研究占本人當時全部工作量的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