|許秀來

（北京大學(xué)）

本文選自《物理》2026年第2期

現(xiàn)代光學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)的重要分支，在社會(huì)發(fā)展、科學(xué)研究與學(xué)術(shù)創(chuàng)新中發(fā)揮著重要作用。它不僅通過信息技術(shù)革新深刻改變生產(chǎn)與生活方式，也在微觀粒子與宏觀宇宙的探索中不斷拓展人類認(rèn)知邊界。同時(shí)，光學(xué)與物理、化學(xué)、生物及信息科學(xué)的深度交叉，催生前沿研究與創(chuàng)新成果，為人類文明進(jìn)步持續(xù)注入動(dòng)力。例如，激光與光纖技術(shù)極大提升了信息傳輸效率，醫(yī)療成像與激光手術(shù)持續(xù)迭代診療手段，光伏與光譜技術(shù)助力清潔能源開發(fā)與環(huán)境監(jiān)測(cè)，高精度成像技術(shù)則拓展了天文探索與生物分子檢測(cè)的應(yīng)用邊界，等等。

人類對(duì)光的調(diào)控能力經(jīng)歷了從幾何光學(xué)到波動(dòng)光學(xué)、再到微納結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控的持續(xù)跨越。新型微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使光學(xué)功能不再主要依賴材料的本征性質(zhì)，而更多取決于人工設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)與其所構(gòu)建的電磁環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長尺度光場的精確塑造。這標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入“主動(dòng)設(shè)計(jì)光場”的新階段。

光子晶體作為典型代表，是一類人工構(gòu)筑的周期性介電結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)調(diào)控光的傳播提供了全新的物理平臺(tái)。當(dāng)介電常數(shù)在空間呈周期分布時(shí)，光的傳播將受到能帶結(jié)構(gòu)約束，進(jìn)而產(chǎn)生光子禁帶、局域態(tài)與定向傳輸?shù)蓉S富現(xiàn)象?！肮庾泳w”概念一經(jīng)提出，便迅速發(fā)展為現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的重要研究方向，有力推動(dòng)了微納光學(xué)、集成光子學(xué)和量子光學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)步。

光子晶體的研究大體經(jīng)歷了從理論預(yù)言、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到器件化與集成化應(yīng)用的演進(jìn)過程。早期工作圍繞光子帶隙形成機(jī)制和缺陷態(tài)調(diào)控展開，不僅驗(yàn)證了光子能帶理論，也催生了光子晶體波導(dǎo)和高品質(zhì)因子微腔等關(guān)鍵器件。隨著納米加工能力和多物理場表征技術(shù)的發(fā)展，研究對(duì)象逐漸由理想周期結(jié)構(gòu)拓展至準(zhǔn)周期、多尺度和可重構(gòu)體系。

近年來，一系列新型光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓展了光場調(diào)控的維度與深度。比如，莫爾光子晶體通過疊加存在微小失配或相對(duì)扭轉(zhuǎn)的周期結(jié)構(gòu)，引入遠(yuǎn)大于原晶格常數(shù)的長周期調(diào)制，可顯著壓低光子的有效動(dòng)能，形成近乎無色散的平帶并增強(qiáng)光場局域?；谶B續(xù)域束縛態(tài)的光子晶體與超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，利用對(duì)稱性保護(hù)或參數(shù)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)與輻射連續(xù)譜的解耦，可支持超高

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此外，拓?fù)涔庾泳w通過構(gòu)建具有非平凡拓?fù)洳蛔兞康哪軒ЫY(jié)構(gòu)，可在界面或邊緣產(chǎn)生對(duì)缺陷與無序不敏感的拓?fù)鋺B(tài)，為魯棒光傳輸和高可靠性光子器件提供了新的物理范式。當(dāng)光被限制在極小體積內(nèi)并與物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)相互作用時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)入超強(qiáng)耦合乃至深強(qiáng)耦合區(qū)域，此時(shí)耦合強(qiáng)度可與系統(tǒng)的本征能量尺度相當(dāng)，從而重塑能級(jí)結(jié)構(gòu)并誘發(fā)非經(jīng)典量子現(xiàn)象，推動(dòng)光子晶體研究邁向量子調(diào)控與極端光—物質(zhì)相互作用的前沿。

總體來看，光子晶體正沿著從單一周期結(jié)構(gòu)到多尺度結(jié)構(gòu)、從局域響應(yīng)到動(dòng)量空間調(diào)控、從經(jīng)典器件到量子極限調(diào)控的方向持續(xù)發(fā)展。本專題聚焦上述前沿進(jìn)展，集中展示人工光學(xué)結(jié)構(gòu)中光與物質(zhì)相互作用的新認(rèn)識(shí)與新方法。隨著先進(jìn)制造技術(shù)、低維功能材料與量子技術(shù)的進(jìn)一步融合，光子晶體有望在大規(guī)模光子集成、片上量子信息處理、超靈敏探測(cè)及新型光源等領(lǐng)域發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用，并不斷拓展人類對(duì)光場調(diào)控及光—物質(zhì)相互作用基本規(guī)律的認(rèn)知邊界。

新型光子晶體專題

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《物理》是由中國科學(xué)院物理研究所和中國物理學(xué)會(huì)主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學(xué)科大家之力，追蹤物理學(xué)成果，服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科交叉，讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學(xué)一線的院士、專家。

讀者：物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科(如化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)等)的研究人員、教師、技術(shù)開發(fā)人員、科研管理人員、研究生和大學(xué)生，以及關(guān)注物理學(xué)發(fā)展的讀者。

欄目：特約專稿、評(píng)述、熱點(diǎn)專題、前沿進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、研究快訊、物理攫英、物理學(xué)史和物理學(xué)家、物理學(xué)漫談、物理教育、人物、科學(xué)基金、物理新聞和動(dòng)態(tài)、書評(píng)和書訊等。

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