專題導讀 | 新型光子晶體專題

|許秀來

（北京大學）

本文選自《物理》2026年第2期

現代光學作為基礎科學的重要分支，在社會發展、科學研究與學術創新中發揮著重要作用。它不僅通過信息技術革新深刻改變生產與生活方式，也在微觀粒子與宏觀宇宙的探索中不斷拓展人類認知邊界。同時，光學與物理、化學、生物及信息科學的深度交叉，催生前沿研究與創新成果，為人類文明進步持續注入動力。例如，激光與光纖技術極大提升了信息傳輸效率，醫療成像與激光手術持續迭代診療手段，光伏與光譜技術助力清潔能源開發與環境監測，高精度成像技術則拓展了天文探索與生物分子檢測的應用邊界，等等。

人類對光的調控能力經歷了從幾何光學到波動光學、再到微納結構精細調控的持續跨越。新型微納光學結構的出現，使光學功能不再主要依賴材料的本征性質，而更多取決于人工設計的微結構與其所構建的電磁環境，從而實現對亞波長尺度光場的精確塑造。這標志著光學進入“主動設計光場”的新階段。

光子晶體作為典型代表，是一類人工構筑的周期性介電結構，為系統調控光的傳播提供了全新的物理平臺。當介電常數在空間呈周期分布時，光的傳播將受到能帶結構約束，進而產生光子禁帶、局域態與定向傳輸等豐富現象。“光子晶體”概念一經提出，便迅速發展為現代光學與光子學的重要研究方向，有力推動了微納光學、集成光子學和量子光學等領域的進步。

光子晶體的研究大體經歷了從理論預言、實驗驗證到器件化與集成化應用的演進過程。早期工作圍繞光子帶隙形成機制和缺陷態調控展開，不僅驗證了光子能帶理論，也催生了光子晶體波導和高品質因子微腔等關鍵器件。隨著納米加工能力和多物理場表征技術的發展，研究對象逐漸由理想周期結構拓展至準周期、多尺度和可重構體系。

近年來，一系列新型光子晶體結構進一步拓展了光場調控的維度與深度。比如，莫爾光子晶體通過疊加存在微小失配或相對扭轉的周期結構，引入遠大于原晶格常數的長周期調制，可顯著壓低光子的有效動能，形成近乎無色散的平帶并增強光場局域。基于連續域束縛態的光子晶體與超構表面結構，利用對稱性保護或參數調諧實現與輻射連續譜的解耦，可支持超高

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此外，拓撲光子晶體通過構建具有非平凡拓撲不變量的能帶結構，可在界面或邊緣產生對缺陷與無序不敏感的拓撲態，為魯棒光傳輸和高可靠性光子器件提供了新的物理范式。當光被限制在極小體積內并與物質發生強相互作用時，系統可進入超強耦合乃至深強耦合區域，此時耦合強度可與系統的本征能量尺度相當，從而重塑能級結構并誘發非經典量子現象，推動光子晶體研究邁向量子調控與極端光—物質相互作用的前沿。

總體來看，光子晶體正沿著從單一周期結構到多尺度結構、從局域響應到動量空間調控、從經典器件到量子極限調控的方向持續發展。本專題聚焦上述前沿進展，集中展示人工光學結構中光與物質相互作用的新認識與新方法。隨著先進制造技術、低維功能材料與量子技術的進一步融合，光子晶體有望在大規模光子集成、片上量子信息處理、超靈敏探測及新型光源等領域發揮更加關鍵的作用，并不斷拓展人類對光場調控及光—物質相互作用基本規律的認知邊界。

新型光子晶體專題

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