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項(xiàng)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(jì)的。我們?cè)趦蓚�(gè)層次上調(diào)節(jié)介電結(jié)構(gòu)的空間分布，研究其對(duì)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(chǎng)來影響能隙。然后改變結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，研究準(zhǔn)晶和非晶光子晶體。1．第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)一維無序光子晶體的光子定域。提出并證實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shí)用價(jià)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)平板光子晶體負(fù)折射成像。3．在無平移對(duì)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(duì)稱性光子晶體存在完全能隙的第一次實(shí)驗(yàn)證實(shí)。論文5發(fā)表后， Laser focus world 的Newsbreaks專欄上專門做了介紹和評(píng)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(gè)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(dòng)對(duì)稱性只有短程序的二維非晶光子晶體中，從實(shí)驗(yàn)和理論上證實(shí)了這一新想法(論文7)。這是對(duì)光子晶體能隙機(jī)理認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)上第一次得到連續(xù)的倒格矢分布，并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)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(diǎn)：
1，在設(shè)計(jì)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A(chǔ)上，第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)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(shí)驗(yàn)是由我們完成的。并在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了用介質(zhì)金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)來改變局部電場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(jì)并制備了無平移對(duì)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(duì)無平移對(duì)稱性光子晶體是否存在完全能隙的第一次實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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(dòng)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(jì)并制備了既無平移也無轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性，只有短程序的二維非晶光子晶體，并從實(shí)驗(yàn)和理論上證實(shí)了這種新想法。這是對(duì)光子晶體能隙機(jī)理認(rèn)識(shí)的一個(gè)深化。進(jìn)一步，我們推廣這個(gè)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(shí)現(xiàn)了了連續(xù)的倒格矢分布，得到在整個(gè)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(gè)基于準(zhǔn)位相匹配的非線性相互作用可以同時(shí)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(jì)和制備了多層膜樣品，并在光學(xué)實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)2，3，論文 5，9）。參與提出及證實(shí)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(diǎn)4，論文 7）。此項(xiàng)研究占本人當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)，建立了測(cè)試設(shè)備，提高了探測(cè)精度，解決了無序多層膜的極其微弱的透射光的測(cè)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(diǎn)1，論文 1，2）。參與設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究中起重要作用（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2，3，4，論文 3，5，7，9）。此項(xiàng)研究占本人當(dāng)時(shí)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(jì)，設(shè)計(jì)及制備實(shí)驗(yàn)設(shè)備到微波波段的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)，能夠分別觀測(cè)到能隙的擴(kuò)展和各向同性的能隙（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2，3，論文 3，5，6）。在提出并證實(shí)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(shí)驗(yàn)研究中起了關(guān)鍵作用（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4，論文 7）。此項(xiàng)研究占本人當(dāng)時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)起了指導(dǎo)作用（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(jì)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(diǎn)3，論文8,9）。并與實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究占本人當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)研究中起了重要作用（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(duì)非晶結(jié)構(gòu)的了解（發(fā)現(xiàn)點(diǎn)4）。此項(xiàng)研究占本人當(dāng)時(shí)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
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