二维声光子准晶的物理特性及应用

The perfect controlment of electron, photon and phonon realized by using the energy band and band gaps of artificial micro-structures, is a research hotspot in the field of micrometer and nanometer science and technology. Artificial periodic phoxonic crystals can possess simultaneously both photonic and phononic band gaps (i.e. phoxonic band gaps), inducing that electromagnetic and acoustic waves can be simultaneously controlled. All these produce new physical phenomena and applications. As we all know, aperiodic structures exhibit some advantages over periodic ones, such as highly low index contrast and isotropic band gaps, inherent localized modes,larger fabrication tolerance. This program will research the physical characteristics of two-dimensional phoxonic quasicrystals (including phoxonic quasicrystal slabs)based on finite element method. The phoxonic bands, various defect states for different aperiodic structures and physical parameters will be intensively investigated. Based on phoxonic microcavities, simultaneous sensing with high sensitivity of electromagnetic and acoustic waves will be studied and experimentally verified for terahertz electromagnetic and MHz ultrasonic waves.The acousto-opticial interaction will also be researched by considering both photo-elastic and opto-mechanical effects, aiming for the realization of new applications for the enhancement of acousto-opticial modification. The results will provide important scientific value and can find new important applications for micro- and nano-phonics, and sensors for chemistry and biochemistry.

利用人工微结构的能带和带隙，实现对电子、光子及声子的完美操控，成为微纳科学与技术的研究热点。人工周期性声光子晶体能同时形成光子和声子带隙（简称声光子带隙），进而实现对光和声的同时调控，展现新物理现象和应用。与周期性结构相比，准晶结构具有低折射率比阈值、带隙对入射方向不敏感、固有局域态、制造容差大等优点。本项目拟以二维声光子准晶（包括平板结构）为研究对象，采用有限元数值计算方法，针对不同的准晶结构及结构参数，探索其声光子带隙、各类局域态等相关的物理特性；基于声光子微腔，探索同时对电磁波与声波的高灵敏传感，并在太赫兹波和兆赫兹超声波频段进行实验验证；研究光弹性效应及光机效应的联合作用下，声子与光子之间的相互耦合，实现该类准晶结构在增强声光调制方面的新应用。本项目的研究结果除在学术研究方面具有重要的科学意义外，在微纳光子学、化学或生化传感等相关科学与技术领域具有广阔的应用前景。

利用人工微结构的能带和带隙，实现对电子、光子及声子的完美操控，成为微纳科学与技术的研究热点。人工周期性声光子晶体能同时形成光子和声子带隙（简称声光子带隙），进而实现对光和声的同时调控，展现新物理现象和应用。与周期性结构相比，准晶结构具有低折射率比阈值、带隙对入射方向不敏感、具有固有局域态、制造容差大等优点。本项目开展了二维声光子准晶的研究，主要内容包括：（1）首次提出了声光子准晶的概念。针对不同的准晶结构及结构参数，探索其声光子带隙、各类局域态等相关的物理特性，实现了准晶结构（特别是较低折射率比）的大宽度声光子带隙及绝对声光子带隙。相比于同样材料组分的周期性结构，绝对声光子带隙的宽度提高到了原来的2倍以上，这为实现同时操控光子与声子奠定了基础；（2）获得了声光子准晶中固有缺陷态及人工引入缺陷态的物理特性，为同时局域电磁场与声场提供了理论基础；（3）同时实现了对电磁波及声波的高灵敏度传感，实现了对两种不同信号的同时传感，有利于监控复杂生化系统中的动态变化；（4）研究光弹性效应及光机效应的联合作用下，声子与光子之间的相互耦合，实现了该类准晶结构在增强声光调制方面的新应用。本项目总体取得了,较好的研究成果，并超额完成了计划任务书制定的成果目标。我们对声光子准晶基于带隙效应同时操控电磁波及声波（弹性波）的物理本质有了新的认识，研究结果除在学术研究方面具有重要的科学意义外，在微纳光子学、化学或生化传感等相关科学与技术领域具有广阔的应用前景。发表标注论文17篇（其中第一标注10篇），其中SCI检索论文15篇，特别是高质量论文（SCI影响因子大于2）原计划为不少于3篇，而实际达到了10篇。授权国家发明专利2项。项目成果获得了2019年江西省自然科学奖一等奖（负责人为第一完成人）。培养博士生2人，硕士生16人，培养成果获得了江西省高等学校研究生教学成果奖一等奖一项（排名第一）。