光子晶体是通过对介电常数分布进行周期性调制得到的人工材料。过去人们主要研究光子晶体的禁带效应,如用光子禁带实现光子晶体激光器、直角拐弯光子晶体波导、点缺陷共振窄带滤波器等。另一方面,如果合适选择光子晶体的色散特性,光子晶体也可以用来实现例如超棱镜、自聚焦、负折射、慢波等效应。 本论文着重研究具有异常色散特性的光子晶体结构及它们的应用,通过特殊设计光子晶体的色散特性,以获得所需的性能。 全文分为六章。论文第一章介绍了本论文研究的背景和当前国内外进展。第二章介绍本文中用到的数值计算方法,包括平面波展开法,时域有限差分法和多重散射方法,另外还分析了光子晶体平板结构的能带、损耗和群速度异常等特性。第三章介绍了我们提出的基于多孔氧化铝模板-银纳米线阵列的二维负折射光子晶体结构和基于多光束干涉方法的三维负折射光子晶体结构,这两种负折射光子晶体均适用于可见光波段。多孔氧化铝模板制备以及在氧化铝模板中生长银纳米线是电化学过程,不涉及昂贵的实验设备,制备过程简单。多光束干涉光刻技术可以以相对较低的成本得到大面积无缺陷的三维周期结构。以往对这两种结构的研究主要关注禁带特性,论文首次提出了它们的负折射特性。第四章我们提出了一种新的偏振分束原理,设计光子晶体的色散特性,使得其等效折射率对两个偏振态分别表现为正值和负值,从而让一个偏振态的光经历正折射,而另一个偏振态的光经历负折射,把两个偏振态的光束分开。基于二维光子晶体设计了偏振分束器,并在近红外波段进行了原理性实验验证。第五章讨论了光子晶体结构在提高发光二极管抽取效率中的应用,介绍了用三束光干涉制备二维点阵光子晶体掩膜这一批量生产方式。最后总结了本论文的工作。