专题导读 | 新型光子晶体专题

|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

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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

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