可调带隙光子晶体中的双负折射现象研究

光子晶体的周期性结构不仅能赋予材料独特的负折射性质,且其光谱性能在较大范围内可通过结构的周期尺寸进行调控,因此相关研究成为国际自然科学领域的研究热点之一。本项目提出通过对光子晶体材料空间结构和介电性质的调制有效设计和裁剪光子带隙与等频线（面）分布，调控材料的反常光学特性，在光子晶体中实现一种奇特的光学现象- - 双负折射(Dual Negative Refraction)现象；研究人工带隙调制对不同偏振态和本征态能带的影响，明确调制过程中双负折射现象产生的基本条件和调制方法；探索光子晶体中的双负折射现象产生的物理机制和一般规律；利用双负折射效应，开展平板光子晶体超透镜的成像特征和超棱镜的光学特性的研究；利用全息干涉技术和铁电体诱导铁电相变调节光子带隙，在平板光子晶体中实现点源双聚焦现象。为改进和提高人造光子晶体材料的反常色散性质、拓展负折射材料的应用空间提供理论依据和技术路线。

本项目通过对光子晶体材料空间结构和介电性质的调制有效设计和裁剪了光子带隙与等频线（面）分布，在光子晶体中实现了多种奇特的光学现象，如双负折射、多折射、等相位传输等现象；研究了人工带隙调制对不同偏振态和本征能带的影响，明确了调制过程中各种反常光学现象产生的基本条件和调制方法；对光子晶体中的反常光学现象产生的物理机制和一般规律进行了归纳总结；利用双负折射效应，开展平板光子晶体超透镜的成像特征和超棱镜的光学特性的研究，实现了点源双聚焦现象，并利用自制微波二维场分布自动扫描测量系统、微波网络分析仪和外场（温度,电场等）调控系统对各种反常折射现象和零相移传输特性进行了实验验证和测量，为改进和提高人造光子晶体材料的反常色散性质、拓展带隙可调光子晶体材料的应用空间提供理论依据和技术路线。此外，在本项目的研究过程中，我们还探索了多种渐变光子晶体结构和特性，并利用渐变光子晶体设计了多种光学器件；在光学实验中提出了双光束两次曝光法制备正方光子晶体，并利用制备的光子晶体提高了LED的发光效率，对于光学集成及能源利用具有重要的参考价值；提出了利用非正定介质的强各向异性改善基于双折射晶体的传统光学器件的性能的思路，设计了一种基于非正定介质的具有大分束角的高性能平行偏振光分束器。本项目已取得一系列基础性研究成果包括，在国际期刊发表论文31篇，其中SCI论文22篇，EI论文9篇，国内核心期刊论文1篇；申报国家发明专利4项，已授权1项；共培养硕士生2人，博士生4人，博士后1人，已超额圆满完成本项目预定的研究任务和研究目标。带隙可调光子晶体的超常光学性质在诸多研究领域具有强大的发展潜力和应用前景，通过该项目的开展，我们已在相关领域积累了丰富的基础性研究经验，为基于带隙可调光子晶体的零相移超材料及其电磁传导特性的研究奠定了坚实的基础，为光子晶体基零相移超材料的应用和发展开辟了宽阔的道路。