|许秀来
(北京大学)
本文选自《物理》2026年第2期
现代光学作为基础科学的重要分支,在社会发展、科学研究与学术创新中发挥着重要作用。它不仅通过信息技术革新深刻改变生产与生活方式,也在微观粒子与宏观宇宙的探索中不断拓展人类认知边界。同时,光学与物理、化学、生物及信息科学的深度交叉,催生前沿研究与创新成果,为人类文明进步持续注入动力。例如,激光与光纤技术极大提升了信息传输效率,医疗成像与激光手术持续迭代诊疗手段,光伏与光谱技术助力清洁能源开发与环境监测,高精度成像技术则拓展了天文探索与生物分子检测的应用边界,等等。
人类对光的调控能力经历了从几何光学到波动光学、再到微纳结构精细调控的持续跨越。新型微纳光学结构的出现,使光学功能不再主要依赖材料的本征性质,而更多取决于人工设计的微结构与其所构建的电磁环境,从而实现对亚波长尺度光场的精确塑造。这标志着光学进入“主动设计光场”的新阶段。
光子晶体作为典型代表,是一类人工构筑的周期性介电结构,为系统调控光的传播提供了全新的物理平台。当介电常数在空间呈周期分布时,光的传播将受到能带结构约束,进而产生光子禁带、局域态与定向传输等丰富现象。“光子晶体”概念一经提出,便迅速发展为现代光学与光子学的重要研究方向,有力推动了微纳光学、集成光子学和量子光学等领域的进步。
光子晶体的研究大体经历了从理论预言、实验验证到器件化与集成化应用的演进过程。早期工作围绕光子带隙形成机制和缺陷态调控展开,不仅验证了光子能带理论,也催生了光子晶体波导和高品质因子微腔等关键器件。随着纳米加工能力和多物理场表征技术的发展,研究对象逐渐由理想周期结构拓展至准周期、多尺度和可重构体系。
近年来,一系列新型光子晶体结构进一步拓展了光场调控的维度与深度。比如,莫尔光子晶体通过叠加存在微小失配或相对扭转的周期结构,引入远大于原晶格常数的长周期调制,可显著压低光子的有效动能,形成近乎无色散的平带并增强光场局域。基于连续域束缚态的光子晶体与超构表面结构,利用对称性保护或参数调谐实现与辐射连续谱的解耦,可支持超高
Q值共振。
此外,拓扑光子晶体通过构建具有非平凡拓扑不变量的能带结构,可在界面或边缘产生对缺陷与无序不敏感的拓扑态,为鲁棒光传输和高可靠性光子器件提供了新的物理范式。当光被限制在极小体积内并与物质发生强相互作用时,系统可进入超强耦合乃至深强耦合区域,此时耦合强度可与系统的本征能量尺度相当,从而重塑能级结构并诱发非经典量子现象,推动光子晶体研究迈向量子调控与极端光—物质相互作用的前沿。
总体来看,光子晶体正沿着从单一周期结构到多尺度结构、从局域响应到动量空间调控、从经典器件到量子极限调控的方向持续发展。本专题聚焦上述前沿进展,集中展示人工光学结构中光与物质相互作用的新认识与新方法。随着先进制造技术、低维功能材料与量子技术的进一步融合,光子晶体有望在大规模光子集成、片上量子信息处理、超灵敏探测及新型光源等领域发挥更加关键的作用,并不断拓展人类对光场调控及光—物质相互作用基本规律的认知边界。
新型光子晶体专题

欢迎订阅2026年《物理》杂志
期刊介绍
01
《物理》是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办的权威物理类中文科普期刊,注重学科性与科普性相结合,秉承“轻松阅读,享受物理”的办刊理念,集学科大家之力,追踪物理学成果,服务物理学领域,促进学科交叉,让科学变得通俗易懂。已成为我国众多物理专业的大学生、研究生、物理学家案头常读的刊物之一。
作者:众多活跃在科研、教学一线的院士、专家。
读者:物理学及其相关学科(如化学、材料学、生命科学、信息技术、医学等)的研究人员、教师、技术开发人员、科研管理人员、研究生和大学生,以及关注物理学发展的读者。
栏目:特约专稿、评述、热点专题、前沿进展、实验技术、研究快讯、物理攫英、物理学史和物理学家、物理学漫谈、物理教育、人物、科学基金、物理新闻和动态、书评和书讯等。
期刊订阅
02
订阅方式:编辑部直接订阅优惠价240元/年,全国包邮。
方式1
- 微信订阅 -
(此订阅方式仅针对需要对公开电子发票的读者,且务必提供正确的单位名称和单位税号)
在“物理所财务处”微信公众号缴费,操作如下:公号下方“业务办理”-“订刊费”-收费部门“《物理》编辑部”,之后填写相应信息。如有问题,可添加编辑微信咨询:18627635857。
方式2
- 银行汇款 -
开户行:中国农业银行北京科院南路支行
户 名:中国科学院物理研究所
帐 号:11250101040005699
(请注明“《物理》编辑部”,汇款成功后请及时联系编辑部登记邮寄地址)
编辑部联系方式:
咨询电话:010-82649277;82649029
Email:physics@iphy.ac.cn
赠阅活动
03
为答谢广大读者长期以来的关爱和支持,《物理》编辑部特推出优惠订阅活动:凡直接向编辑部连续订阅2年《物理》杂志,将获赠《岁月有情- <物理> 50周年纪念本》。内有自1972年至2022年《物理》发表的50篇精选文章信息,扫描对应的二维码,可重温经典之作,感悟物理科学的真谛,领略学科大家的风采。希望读者们爱上《物理》!
![]()
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.