狄拉克半金属是一种全新的拓扑量子材料, 因具有丰富而有趣的光学性质而受到人们的广泛关注。论文构建了基于狄拉克半金属Cd3As2、CdTe介质膜以及空气缺陷层组成的一维光子晶体, 采用传输矩阵理论模拟并揭示了光子晶体的反射率与透射率随温度、入射光波长以及入射角的演变规律。研究结果表明, 选择合适的结构参数, 光子晶体能够在中红外波段形成光子带隙, 随着温度的升高, 光子带隙的宽度逐渐变窄, 带隙波长范围内的反射率和透射率均逐渐减小; 当入射光为斜入射时, 随着入射角的增加, 光子带隙的带边和中心波长均发生蓝移, 对于p偏振光, 光子带隙的宽度逐渐减小, 而对于s偏振光, 光子带隙的宽度几乎不受入射角的影响。

波导偏振器是片上集成相干光学系统中的关键器件之一，超高消光比、低损耗、紧凑型波导偏振器的设计一直是研究的热点。基于绝缘体上硅平台的倾斜Bragg光栅被用于实现超高消光比波导偏振器结构。利用一维光子晶体能带理论分别计算TE和TM模式光的能带结构分布，选择TE模式禁带与TM导带重叠带隙设计光栅，可实现TM模式低损传输，而TE模式被Bragg光栅高效反射，从而产生超高偏振消光比。3D FDTD仿真表明：16 μm倾斜Bragg光栅波导偏振器可在中心波长1550 nm附近70 nm的带宽内，实现大于37 dB的超高消光比，器件的损耗小于0.64 dB；进一步增加光栅周期数，当长度为25 μm时，消光比可提高至46 dB。Bragg光栅倾斜角与刻蚀宽度偏差仿真表明：设计的结构加工误差容限较大，同时该结构仅需一次曝光刻蚀，工艺流程简单。

采用二维纳米材料作周期性排列设计了一种湿敏型一维光子晶体纳米结构, 并基于多层介质的传输矩阵光学特性, 研究了所设计传感结构的透射光谱的湿敏光学特性及其湿敏禁带特性, 以及在 TE 和 TM 两种光波传播模式下一维光子晶体能带结构的光子禁带与环境湿度之间的变化关系。结果表明: TE 模式和 TM 模式下, 在0%～100%的相对湿度变化范围内, 一维光子晶体具有显著的光子禁带, 且光子禁带的初始波长、截止波长及禁带宽度都随环境湿度呈二次方规律变化。

为了降低红外探测技术对**目标生存能力的威胁, 研制了红外低辐射膜。设计并制备了基于一维光子晶体结构的红外低辐射膜, 通过结构参数优化, 改善了其红外波段反射性能, 并降低了薄膜总厚度。采用红外椭偏仪测试了原材料 Ge膜和 ZnS膜的厚度和折射率, 将测试结果带入设计结构, 制备了 8～12 .m发射率分别为 0.045、0.097、0.174和 0.346的红外低辐射膜。研究结果表明, 通过结构优化, 可制备出不同发射率的红外低辐射膜, 满足**装备不同辐射背景下的红外隐身要求。

多层膜结构色滤光片不仅结构简单适合大规模生产，而且所呈现的颜色纯度高、亮度大、不易褪色，因此在光学显示、彩色印刷、美学装饰以及新型光伏等领域有着潜在的应用价值。本文将总结基于多层膜结构设计的彩色滤光片在近年来的研究进展，包括产生不同颜色的两种典型结构及背后的物理机制，多层膜结构色滤光片的制备方法(包括磁控溅射、电子束蒸发、电化学沉积等)以及在彩色太阳能电池、彩色印刷以及新型显示等领域的应用现状，并对多层膜结构色滤光片的发展前景进行展望。

基于铁电材料的介电可调特性,提出一种新颖的基于黑色层纳米薄膜的可重构可见光滤波器,并比较了它与一维光子晶体滤波器反射光谱的可重构特性。实验结果表明,利用黑色层吸收非相干散射光可显著提高反射颜色对比度。当钛酸钡(BTO)薄膜的厚度从100 nm变为140 nm时,反射光谱的峰值波长由383.7 nm移动至501.2 nm,纳米薄膜的反射颜色从紫色变为蓝绿色。反射光谱的测试结果与有限元的模拟结果一致性良好。计算结果表明,当BTO薄膜的厚度为170 nm时,在21.8 V直流驱动电压下,其折射率由2.4变化至2.0,反射峰值波长由595.3 nm移动至513.9 nm。

本文设计了一种含缺陷层的一维光子晶体,采用传输矩阵法研究了一维缺陷型光子晶体的光子禁带、缺陷峰与环境湿度之间的关系。环境湿度变化将致使构成一维缺陷型光子晶体的介质的折射率发生变化,而构成一维缺陷型光子晶体的介质的折射率变化将会引起一维缺陷型光子晶体的光子禁带与缺陷峰发生变化。本文研究了一维缺陷型光子晶体在TE模式和TM模式下其能带结构中的光子禁带、缺陷峰与环境湿度变化之间的关系。研究结果表明,TE模式和TM模式下,在0％RH～100％RH的湿度变化范围内,一维缺陷型光子晶体存在显著的双光子禁带,且两个光子禁带的起始波长、终止波长、禁带宽度及缺陷峰的中心波长都随环境湿度呈规律变化。