光子晶体
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光子晶体及其在激光电磁学中的应用
光子晶体及其在激光电磁学中的应用光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其晶格常数比可见光波长要小得多，所以具有对光的完美控制特性，其光学性质优于普通的材料。
因此，光子晶体在激光电磁学中有着广泛的应用。
一、光子晶体的构造及其特性光子晶体是一种由周期性结构单元构成的材料，其周期性结构单元必须满足材料中的光子能够在其中传播的条件，也就是说，其周期应该与波长相当。
光子晶体可以用于在某些特定波段和极化状态下完美地反射和透射光线，其光学特性与普通材料不同。
光子晶体的物理特性随着结构和材料的变化而发生变化。
通过调整其内部的构造和成分，可以实现对光场的高度定制，可以控制光的传播方向、速度、损耗等性质。
光子晶体还具有非线性光学性质，可以产生与普通材料不同的非线性光学效应。
二、光子晶体在激光电磁学中的应用光子晶体是一种典型的光学材料，其在激光电磁学中有着很多的应用。
1. 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤，受到物理尺寸和波长限制的传统光纤无法彻底解决多模干扰问题，导致光纤通信中的数据传输质量下降。
与传统光纤相比，光子晶体光纤的中心井宽和周期性结构单元的数量可以调整，改变传播模式，可实现单模传输，光传输带宽更大，并且混合模式可以避免在传输中的失真。
因此，光子晶体光纤可以用于长距离通讯、高速通讯、卫星通讯等领域。
2. 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体材料制成的激光器，可以用于光通信、光信息存储等领域。
光子晶体激光器利用光子晶体中的光子能带结构，实现了高效的光增强效应，它的光学特性比传统的激光器具有更好的稳定性和更高的高功率输出。
光子晶体激光器也可以实现波长调制，可以在大范围内实现波长调整，具有优良的单模性、高精度和低成本等优点。
这种波长可调激光器可以用于激光雷达、气体探测、医学诊断等领域。
3. 光子晶体光学振荡器光子晶体光学振荡器是一种基于光子晶体材料制成的光学器件，有着极高的透过率和较低的损耗率。
光子晶体的原理与应用
光子晶体的原理与应用概述光子晶体是一种由周期性改变介电常数分布而形成的结构，具有能带结构类似于电子在晶格中的运动。
光子晶体能够控制光的传播和波长选择性，因此在光学领域具有广泛的应用前景。
光子晶体的原理光子晶体的原理基于周期性调制介电常数分布。
通过改变材料的周期性结构，可以实现光子晶体的禁带带隙效应，即在一定频率范围内，光的传播被完全阻止。
光子晶体的禁带带隙可以通过调节结构的周期、材料的折射率以及填充材料来实现。
光子晶体的禁带带隙效应是由几何光学效应和电磁场的相互作用相结合而产生的。
在光子晶体中，光通过周期性结构时，会出现在特定频率范围内的相干散射。
这种相干散射会导致光的传播被阻挡，从而形成禁带。
禁带带隙的宽度取决于周期性结构的参数，包括晶格常数、材料折射率以及填充材料等。
光子晶体的应用光子晶体的光学波导光子晶体可以实现光的传输和波导效应。
在光子晶体中，通过调节光子晶体的周期性结构，可以实现光的导向和控制。
光子晶体光波导可以用于构建高效的光耦合器、分束器、滤波器、光放大器等光学元件。
光子晶体光波导具有低损耗、高效率等特点，被广泛应用于光通信、光子芯片等领域。
光子晶体的传感器光子晶体由于其禁带带隙效应，可以实现光的滤波和波长选择性。
这使得光子晶体成为理想的传感器材料。
通过改变光子晶体的结构和填充材料，可以实现对不同化学和生物分子的敏感度。
光子晶体传感器可以用于检测环境中的气体、液体、生物分子等，具有高灵敏度、高选择性和实时监测等特点。
光子晶体的光学器件光子晶体的禁带带隙效应还可以用于设计和制造光学器件。
通过选择合适的晶格参数和材料，可以实现对特定波长和频率的光的调控。
光子晶体光学器件包括滤光器、反射镜、全反射镜、衍射光栅等。
这些光学器件具有高效率、高分辨率和高准确性的特点，并在光学测量、光通信等领域得到广泛应用。
光子晶体的激光器利用光子晶体的禁带带隙效应，可以实现低阈值、窄带宽的激光器。
光子晶体激光器在光通信、光信息处理等领域具有重要应用前景。
光子晶体
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
(2)不同寻常的色度色散 (3)极好的非线性效应 (4)优良的双折射效应
此外，光子晶体还可用于制造各种性能优 良的光通讯器件，如光子晶体激光器。
利用光子晶体的带隙特点，可以制造了出理 想带阻滤波器，获得优良的光波滤波性能。
' r
2
c
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
三、光子晶体的应用 --光子晶体光纤（PCF）
分类:实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃棒周围的光纤 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律 排列在石英玻璃管周围的光纤
2 2 r rr r 2 ' c2 r E r c2 r E ）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；
2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数相当于
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的应用－光子晶体光纤 四、光子晶体的发展前景
一、光子晶体简介
光子晶体（photonic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新 型光学微结构材料。 从晶体结构来说，晶体内部的原子是周 期性有序排列的，正是这种周期势场的存 在，使得运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间 可能存在带隙。
优点： （一）光子晶体波导具有优良的弯曲效应。
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体的颜色变化原理基于光的干涉与衍射现象。
光子晶体是一种由有序排列的微米尺度周期性结构组成的材料，其结构和物理性质具有光学禁带结构。
当入射光与光子晶体的周期结构相互作用时，会发生两种重要的现象：干涉和衍射。
干涉是指光的波峰与波谷相互叠加形成明暗条纹的现象。
光子晶体的周期性结构可以形成光的干涉效应，使得入射光以不同的角度和波长被反射、透射或吸收。
当光子晶体的周期与入射光的波长或角度匹配时，就会发生干涉现象。
干涉现象会使得特定波长的光被反射、透射或吸收，其他波长的光被晶体表面散射。
衍射是光波在穿过狭缝或障碍物后绕过其边缘产生扩散现象。
光子晶体的周期性结构会限制光波的传播方向和传播范围，使得不同波长的光在光子晶体中发生衍射，进而产生不同的波长分量，从而表现出不同的颜色。
由于光子晶体的周期性结构具有宽禁带结构，可以选择性地反射、透射或吸收特定波长的光，因此光子晶体在不同入射角度和观察方向下对光的反射、透射和散射的颜色也会发生变化。
这就是光子晶体颜色变化的原理。
光子晶体
光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。
光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。
光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。
原理光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。
使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。
2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。
这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。
光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。
英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。
光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体技术
光子晶体技术光子晶体是一种具有周期性介电常数或介电导率分布的材料结构。
由于其特殊的光学性质，光子晶体技术已经成为光学、光电子学和纳米科技领域的研究热点。
本文将探讨光子晶体技术的原理、应用以及未来发展方向。
一、光子晶体技术的原理光子晶体技术的实现是通过制备周期性的结构，使得材料对特定波长的光具有反射、传播、干涉等特殊性质。
光子晶体的周期性结构通常是由两种或多种材料交替排列组成，其中每种材料的折射率或导电性质不同。
二、光子晶体技术的应用光子晶体技术在光学和光电子领域有着广泛的应用。
一方面，光子晶体技术可用于设计和制备各种光学器件，例如光波导、光滤波器、光传感器等。
另一方面，光子晶体技术也可应用于光子集成电路、光子计算和光子通信等领域。
1. 光子晶体传感器光子晶体传感器利用光子晶体对特定波长光的敏感性，可以实现高灵敏度和高选择性的传感器。
通过调控光子晶体的结构参数，可以实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的检测。
2. 光子晶体光波导光子晶体光波导是一种基于光子晶体的光传输手段，其具有低损耗、高传输效率的特点。
通过调节光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行引导和控制，从而实现光信号的调制和耦合。
3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是一种具有特定波长选择性的光学器件。
通过调整光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行滤波，从而实现光的频率选择和光谱分析。
三、光子晶体技术的发展趋势光子晶体技术凭借其独特的光学性质和广泛的应用前景，受到了越来越多的研究关注。
未来，光子晶体技术有望在下述方面有进一步的发展和应用。
1. 多功能光子晶体材料的设计与合成当前的光子晶体材料多局限于某一特定波长范围内应用。
未来，研究人员将致力于开发具有更宽波长范围响应的多功能光子晶体材料，并探索更灵活的调节机制，以满足不同应用场景的需求。
2. 新型光子晶体器件的研发与应用随着光子晶体技术的发展，越来越多的新型光子晶体器件被提出和实现。
光子晶体
光子晶体绪论光子晶体是一种在微米亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出[1]。
1991年，由E. Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来，许多理论预测得到了验证。
光子晶体的原理光子晶体的原理是从类比晶体开始的。
晶体中原子的周期性的排列使晶体中产生了周期性的势场，当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射，从而形成能带结构。
带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。
不论电磁波还是其它波(如光波)，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都可能出现带隙，而能量落在带隙中的波一样也不能传播。
光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率(如人工造成的气泡)的材料，高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动[2~5]。
自然界中存在一些有着光子晶体结构的物质，例如用来装饰的蛋白石( Opal)，还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角度反射不同波长的光。
通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的[6~7]。
参见图1~5。
但是，这些都是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系。
一般说来，两种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子禁带，当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带。
在自然界尚未曾发现此类的晶体。
因实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。
常见的光子晶体的制备方法有自然生长法，机械制备法，光刻法，光学方法，化学刻蚀方法，薄膜生长法，胶体自组织密堆积方法，反蛋白石光子晶体合成方法等[8~13]。
光子晶体
4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 holes
Core diameter: 10.5m
PCF 制备工艺
带隙宽度可调PCF
Holes filled with air: TIR n589nm=1.80 2000-1 band gap
Holes filled with high n liquid : PBG 3dB band width for gaps=1400nm
PCF 制备工艺
单模有机聚合物光子晶体光纤
PCF 特性
1. 宽带低损单模传输
Near-field pattern
Interstitial holes
Nearfield pattern
528 nm
458 nm
Far-field pattern
633 nm 528 nm 458 nm
The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal. No other mode field patterns are observed confined to defect region. No confined mode could be observed at 633nn.
(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios
光子晶体设计
光子晶体设计光子晶体是一种具有周期性光学性质的材料, 通过改变其周期性结构以控制光的传播和特性, 广泛应用于光学器件、传感器、光学通信等领域。
在光子晶体的设计过程中，选择合适的材料和优化结构是关键的步骤。
本文将介绍光子晶体设计的基本原理、常用方法和一些应用案例。
一、光子晶体设计原理光子晶体的设计原理基于布拉格衍射和能带理论。
通过在材料中引入周期性的折射率变化，产生布拉格衍射，使特定波长的光在晶体中发生反射和传播。
这种周期性结构的形成会引起光子禁带的产生，即某一范围内的光无法在晶体中传播。
二、光子晶体设计方法1. 自下而上设计方法自下而上的设计方法是通过改变结构参数和材料属性来实现对光子晶体光学性质的调控。
其中一种常用的方法是利用微纳加工技术，如电子束曝光、光刻技术等，在二维或三维材料中制造特定的结构，从而实现光子晶体的设计。
2. 自上而下设计方法自上而下的设计方法是基于计算机模拟和优化算法。
通过选择材料的折射率和结构的周期，采用计算工具如有限元方法、傅里叶光学等进行模拟计算，最终得到满足特定光学性质需求的光子晶体结构。
三、光子晶体应用案例1. 光子晶体波导光子晶体波导是一种在光子晶体中实现光的传播的结构。
由于光子晶体波导的禁带导致传播模式的束缚，使其具有较大的带宽和高的传输效率。
光子晶体波导在微波通信、光通信和集成光学领域有着重要的应用。
2. 光子晶体传感器光子晶体结构对光的敏感性使其成为理想的传感器平台。
通过对光子晶体纳米孔洞或微球的设计，可以实现对不同物质的检测和监测。
光子晶体传感器在生物医学、环境监测和食品安全等方面有广泛的应用。
3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是利用光子晶体的光学特性实现对特定波长光的选择性传输。
通过调整光子晶体的结构参数和材料折射率，可以实现对光的波长选择性滤波。
光子晶体滤波器在光通信、光谱分析和光学传感等领域中起到重要的作用。
结论光子晶体设计作为一种关键的光学器件设计方法，具有广泛的应用前景。
光子晶体是指具有
光子晶体光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的，这种结构有时也称为PBG光子晶体结构，这种新型人工材料即为光子晶体材料。
光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John 和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。
在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。
与半导体类似，光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构，从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。
同样，光波的色散曲线形成带状结构，带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。
频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。
其实不管任何波，只要受到周期性的调制．都有能带结构，也都有可能出现带隙。
能量落在带隙中的波是不能传播的，电磁波或者光波也不例外．如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙就只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。
我们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体面(Phoooc crystal)，或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。
由于电磁场的矢量特性，使得光子晶体的理论模拟变的较为困难。
不过，经过许多理论物理学家的努力，目前几种理论上的模拟和实验结果已经取得较好的一致性。
这些理论方法比电子能带理论计算方法更为完善，因为光子之间不存在库仑相互作用，是真正的单粒子问题，而在电子系统中库仑作用不可忽略，固体物理只能采取一定的近似条件来计算。
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光子晶体的制备及应用王文瀚12S011029 1 引言光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。
1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。
实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。
蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。
这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。
正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。
这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。
当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。
1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。
1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。
[1]2 光子晶体原理最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。
A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。
普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。
比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。
根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。
(a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构图1 光子晶体结构示意图一维光子晶体是由多层介质薄膜构成，在光子晶体概念提出以前，就已经得到广泛研究和应用，如分布布拉格光栅。
一维光子晶体只能在一个方向上产生光子带隙。
二维光子晶体是由两种不同介质在二维平面内周期交替排列,而在垂直于平面的方向上均匀分布形成，最常见的有介质柱型和空气孔型两种。
介质柱型光子晶体是由无限长介质柱周期排列而成；而空气孔型则是在均匀介质背景中周期性打孔构成。
这种排列的周期性一般用晶格结构来表示，二维光子晶体最常见的晶格结构是正方晶格和三角晶格。
介质柱和空气孔的截面一般都采用圆形，但根据需要，有时也会用正方柱、正六边形柱和椭圆柱等。
二维光子晶体可以在平面内的两个方向上产生带隙，从而控制光在平面内或垂直于平面的方向传播。
前者的典型例子如光子晶体波导，后者的典型例子如光子晶体光纤。
三维光子晶体是由两种不同介质在三个维度上周期分布排列而成。
它可以在三个方向都产生带隙，从而更好地控制光的传输，但目前三维光子晶体的加工制备更为困难。
三维光子晶体中比较常见的晶格结构有三维立方晶格、三维六角晶格、三维面心立方晶格(face-centered cubic, FCC)等[2]。
在半导体等电子晶体中,由于受到周期势场的布拉格散射(Bragg scattering)作用，电子的色散关系会变成带状分布，从而形成电子的能带结构。
当满足一定条件时，能带之间还可能会形成能量带隙(energy gap)。
与此类似，在光子晶体中，电磁波也会受到周期结构的布拉格散射，并形成与电子能带类似的光子能带(photonic band)。
同样，在光子各能带之间也可能形成与电子能隙类似的光子带隙(photonic band gap, PBG)，又叫光子禁带。
当光子频率处于光子晶体的禁带中时，其态密度(density of states, DOS)为零，这样的电磁模式将无法在该光子晶体中传输。
由于光子带隙的存在，使得光子晶体具有能够“操控”光在固体中传播的特性，例如能够使光沿着一定的方向传导，而几乎不会产生什么能量损失，或者将光子聚集在某个固定的空间之内，即实现光子局域，这些有趣的新现象是以前任何光学器件没有能力实现的。
所以，光子晶体逐渐成为了当今材料学中研究的热点，其重要性越来越受到人们的关注。
3 光子晶体特性3.1 光子禁带由以上的叙述可知，光子晶体最主要的特性之一就是存在光子禁带。
对于光子禁带形成的原因，是布里渊区边界光子的能量的不连续跳变所导致的，跳变的范围就形成了光子禁带，即禁止某种频率范围的光子通过；光子禁带以外的区域则称为光子通带，即允许光子通过。
对于光子带隙来说，如果只在固体的某些方向上出现，则称为赝光子带隙；如果在所有方向上都出现，并且能够互相重叠在一起，则称为完全光子带隙。
由此可知，只有三维光子晶体才可能拥有完全光子带隙。
一般来说，光子禁带的存在与否，宽与窄，主要取决于以下两种因素：(1)光子晶体的结构特性。
比如介质材料的填充率、结构类型等等；(2)光子晶体的两种不同材料的介电常数比。
通常来说，介电常数比越高，越容易实现完全光子带隙。
所以，在光子晶体的设计过程中，合理地选择适合的材料，并且设计相应的结构，对于光子带隙的形成是至关重要的。
虽然光子禁带中的态密度为零，由此导致光子在禁带无法发生自发辖射，但是，与半导体类似地，通过引入某种与原来介电常数不同的材料，或者去除某些物质，将会形成缺陷，虽然禁带中的大部分范围内的发射还是被抑制，但是在缺陷所在光子能级的极窄的范围内，会出现光子态密度的高度集中，相当于光子禁带中被抑制的能量集中体现在了某个特定的能级上，导致在此处的高强度自发辖射。
这种现象可以被用来调制光子晶体的发射光谱。
[3]3.2 光子局域光子晶体的另一个重要特性是光子局域。
光子晶体的发现者之一S. John早在发表第一篇论文时就指出，在一定的非周期性超晶格结构中，如果这种材料具有足够高的介电常数比，那么在某个频率窗口内，将会实现可预测的强烈的光子局域现象。
John发现在一种经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中，光子可呈现出很强的“Anderson局域”。
且当光子晶体是理想的且无缺陷的时候，根据其周期性边界条件的要求，是不存在光的衰减模式的。
但一旦当光子晶体的对称性被破坏时，光子晶体的禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态。
[3](a) 自由空间中(b) 光子晶体中(c)缺陷光子晶体中图2 缺陷光子晶体态密度示意图事实上，如果将光子晶体的完美结构中去除某些格点，或者加入新的介质，那么这种缺陷将会构成缺陷能级，相应频率内的光子就会被局域在缺陷能级内，这与之前提到的缺陷态发射相类似。
不同的是，光子局域同时还强调了物理尺寸上的限制。
如果光子晶体结构中存在微小的缺陷，则会将某一频率的光子“局限”在这一很小的范围内，光子无法逃出此缺陷而存在，于是就被限制在一定的空间内。
这种结构事实上类似于激光器中的微腔，光子受到各个方向的阻碍，不断在其中反射。
这样，就可以实现普通材料无法实现的物理功能，比如使光沿着一定的轨迹运动，或者固定在某个区域内，这些对于光子处理的实现都具有非常大的意义。
3.3 负折射效应负折射材料的设想最早由Veselago在1967 年提出，这种材料的介电常数ε与磁导率μ均为负值，其等效折射率也为负值。
在一般介质中，电磁波的电场E、磁场H与波矢k之间满足右手定律，而在负折射材料中，三者满足左手定律，其能流方向与波矢方向相反，故又称左手材料(left-handed materials, LHMs)。
Pendry 等人于1996年从理论上设计了一种由开路谐振金属环构成的负折射人工材料。
2000 年，Smith 等人根据Pendry的理论，首次成功制作了工作于微波波段的第一个同时具有负介电常数与负磁导率的双负人工材料，并于次年用这种材料进行棱镜实验验证了其具有负的折射率。
与谐振金属环等负折射材料不同，光子晶体虽然介电常数与磁导率都为正，但也可以实现负折射。
在光子晶体中，电磁波受材料折射率的周期调制，从而呈现出异常的色散关系，并形成与电子在晶体中类似的能带结构。
这样经过特殊设计，可以使光子晶体中某些波段的群速度与相速度方向相反，表现出与左手材料相同的性质。
Notomi在2000年从理论上证明了光子晶体中的负折射，并计算了GaAs材料的二维空气孔型和介质柱型三角晶格光子晶体中的负折射行为。
2004 年，Parimi与Berrier等人也分别在微波段和红外波段实验中验证了光子晶体中的负折射成像。
图3 负折射成像负折射光子晶体有着广泛的应用，其中最典型的是平板透镜成像，如图3所示[4]。
与传统透镜不同，光子晶体负折射可以实现平板成像，同时没有固定的主轴，当光源沿平行于平板界面的方向移动时，像点将随之移动。
由于无法实现对倏逝波的传输，传统透镜分辨率往往受衍射极限限制，最高只能实现与波长同量级的分辨率。
而在负折射成像过程中，可以实现对倏逝波的传播与放大，因而可以保留光源的所有分量相位和振幅信息，实现亚波长成像。
此外，负折射光子晶体还被广泛应用于各种集成光学器件的设计中，如开放腔、聚焦凹透镜、偏振分束器等。
3.4 超棱镜效应棱镜是一种分光仪器，不同波长的光入射到棱镜上时表现出不同的折射率，因此也具有不同的折射角，从而使光束分离。
1998年，Kosaka等人提出了基于光子晶体的类棱镜行为，由于其分辨率远大于普通棱镜，可以达到普通棱镜的100~1000倍，因此这种现象又被称为超棱镜效应。
在光子晶体等频线中剧烈变化处，即使入射波矢发生微小变化，也会导致群速度方向发生很大的变化，因而使光束分离。
1999年，Kosaka等人设计并加工了0.99μm与1.00μm波长的三维光子晶体分光棱镜(波长差1%)，并将两束光分开50°，如图4所示。
2002 年，Baba 等人对光子晶体超棱镜的分辨率进行了详细讨论。
同年，Wu等人设计并制作了分辨率达到0.5°/nm的平板光子晶体超棱镜。
(a) 光子晶体超棱镜(b) 传统棱镜图4 超棱镜与传统棱镜分光实验对比3.5 自准直效应光子晶体自准直效应是指电磁波在光子晶体中传输时，受光子晶体的周期结构调制，沿某一方向无衍射直线传输，光束宽度保持不变的现象。
该现象最早由Kosaka等人于1999 年发现。
Kosaka 根据入射光线与对应等频面的关系，推测光束在光子晶体中传输的三种类透镜行为如图5(a)所示：当色散曲面对于入射波矢为内凹时，光束发散，对应凹透镜情形；内凸时，光束自聚焦，对应凸透镜情形；平坦时，则光束将变得准直，对应准直情形。
图5(b)是Kosaka等人在实验中观测到的光束在光子晶体中的自准直现象。