近年来受拓扑绝缘体启发而兴起的拓扑光子学有力地促进了电磁波调控和新型波功能器件的研究。光子人工带隙材料因其丰富的物态调控机制和高度定制化的设计自由度成为了研究拓扑光子学和研制鲁棒性光子器件的重要平台。本文主要综述了周期性二聚化以及准周期性Harper光子拓扑链中光子与人工带隙材料的相互作用，揭示了非厄密物理、宇称-时间对称转变和拓扑相变对能带和带隙的作用规律，以及光场本征态的调控和传输机制。围绕实际的共振耦合技术，介绍了非厄密拓扑物理启发下的具有拓扑保护特性的高性能近场无线传能和传感方案，并对非厄密拓扑物理对于无线传能和传感的发展将起到的作用进行了展望。

对手征特异材料介质与陈绝缘体材料界面附近二能级原子的自发辐射特性进行了研究.推导计算了手征介质界面及其与陈绝缘体材料界面的反射系数矩阵, 并根据并矢格林函数求得此环境下二能级原子自发衰减率的表达式.对手征介质和陈绝缘体材料特性参数影响下的原子自发辐射进行了数值计算, 分别对平行和垂直于界面的偶极子自发衰减率进行讨论, 并对辐射模式和消逝模式下的自发辐射进行了分析.结果表明, 由于手征参量的存在, 手征介质界面附近的原子自发衰减率与普通介质相比被增强.陈绝缘体则使得界面附近原子的自发辐射被明显抑制, 且当手征参量较大时, 陈绝缘体的抑制效应更加显著.

对有限厚度拓扑绝缘体(TI)平板附近及其腔内二能级原子的自发辐射特性进行了研究。利用并矢格林函数表示偶极子平行和垂直于材料边界时的自发辐射率表达式,通过多次反射理论计算了平板的反射矩阵,对影响自发辐射率的各种因素进行了数值计算与分析。研究结果表明,忽略耗散时,平行偶极子的自发辐射率被抑制,而垂直偶极子的被增强;当板或腔存在耗散时,TI可以有效抑制原子的自发辐射率,使其附近原子在任何偶极方向的衰减均受到抑制。

研究了线极化波在拓扑绝缘体和手征介质分界面上全反射时的Goos-Hnchen(GH)侧向位移和Imbert-Fedorov(IF)横向位移特性.使用修正的能流法推导出各位移表达式, 数值计算分析了入射角、拓扑磁电耦合效应、手征性等对位移的影响.结果表明, 当TE波入射时, 拓扑绝缘体的磁电耦合效应或手征介质的手征性对两种位移的影响较为一致, 即拓扑磁电耦合对GH和IF位移均为抑制, 手征性对位移基本为单调增强或单调抑制.而TM波入射时, 拓扑磁电极化率会使位移先增大后减小, 位移存在一个极值, 手征参数的增大使该极值向拓扑磁电极化率较小值方向移动; 手征参数对位移的影响虽基本上是单调性的, 但在某些情况中较为特殊, 如右旋圆极化波的GH位移在拓扑磁电极化率对位移增强阶段, 手征性也将增强位移, 而在拓扑磁电极化率对位移抑制阶段, 手征性也同时抑制位移.对拓扑绝缘体和手征介质界面GH和IF位移的研究, 为测量拓扑磁电耦合特性及手征电磁交叉极化性质提供了一种光学方法.

在金属板与电介质材料板基底间插入色散特异材料板形成三明治结构, 并对其Casimir作用力进行了研究. 基于Casimir-Lifshitz理论, 通过麦克斯韦应力张量计算了真空涨落的辐射压, 并对三明治结构利用电磁模式传输矩阵方法进行了数值计算分析. 计算结果表明, 原本两板结构中存在的Casimir吸引力, 在插入特异材料板后的三明治结构中将转变为斥力, 从而使轻薄的金属板产生量子悬浮效应。讨论了特异材料板的色散电磁响应特性以及电介质板基底的影响, 结果表明特异材料磁等离子频率越大、磁共振频率越小以及电介质板基底的介电常数越小时, 三明治结构中获得的斥力越大. 此外, 板间距增加到一定范围时, 三明治结构中将出现Casimir平衡回复力.特异材料填充因子越小、三明治结构中层距和层厚越大时, 三明治结构间的回复力会出现在较长距的位置. 三明治结构中的量子悬浮效应与平衡回复力可保证微纳米机械系统稳定性, 展现出基于真空辐射压的应用前景.

最近人们[1-3]提出了一类反射式梯度特异材料表面系统, 此系统可以高效地将入射波转换成被束缚于材料表面的表面波, 这个系统成为连接行波和表面波的一座桥梁。以往人们研究梯度特异材料表面的反射特性时多是以入射平面波为主, 这里我们结合实际, 以入射的高斯光束作为研究对象, 讨论梯度特异材料表面对其的反射特性, 尤其是高斯光束的主入射角和束腰对反射行为的影响, 得到了与平面波入射不同的反射现象。对于临界角为17.2°的梯度特异材料表面, 束腰为4 的高斯光束以主入射角分别为0°、10°、30°入射时, 我们发现随着主入射角的变大, 入射高斯光束转变为表面波的比例增大; 而固定主入射角为30°, 我们通过改变束腰, 发现束腰越大, 波矢分布越窄, 越接近于平面波, 转变为表面波的效率就越高。在数值模拟中, 反射光束出现了明显的Goos-Hansen位移现象。同时还出现了类似光栅反射的特点, 即分叉现象, 这是由于模拟计算时网格不能无限小, 梯度特异材料表面不能模拟为折射率连续变化的材料而应该是阶跃式变化的材料。由于实际制备的梯度特异材料表面是人工微结构的排列, 因此微小的阶跃式变化的梯度特异材料表面更为实际。我们的工作对于利用梯度特异材料表面将入射高斯光束转变为表面波具有指导意义。

详细研究了Λ型三能级原子系统中电磁感应透明的瞬态过程。我们从理论上分析了系统中各参数(例如失谐、原子能级衰减率、探测场和耦合场强度)对瞬态响应时间的影响, 并且通过对密度矩阵演化方程的数值求解, 分析了相关密度矩阵元尤其是与吸收和色散相关的矩阵元ρab的瞬态行为。结果发现: 在满足双光子共振条件Δ=Δμ的情况下, 瞬态响应时间与能级衰减速率以及探测场和原子跃迁的失谐有直接关系；随着失谐的增大, 响应时间也相应延长, 同时, 瞬态响应时间也随着衰减率γ的增大而缩短。而探测场和耦合场的强度变化并未对响应时间造成影响。此外, 很多文献都指出, 常用的微扰近似稳态解只适用于探测场强度远小于耦合场强度的情况, 而本文则通过对比数值解的稳定值和微扰近似稳态解的差异, 给出了其适用的确切范围: 即应满足PE/≤0.1Ωμ。

运用反射相位法和高斯光束峰值位移判断法研究了由电单负材料(ENM)和磁单负材料(MNM)组成的双层结构的古斯亨兴位移现象。首先利用传输矩阵计算结构的反射系数，通过对反射系数的相位分析，发现对于单层的电单负材料和单层的磁单负材料，反射高斯光束的古斯亨兴位移方向相反，同时位移的大小与材料厚度存在一定的联系。进一步对双层材料传输矩阵进行解析分析，发现由电磁参数互为相反数的电单负材料和磁单负材料组合而成的双层材料，可以便捷地通过改变某一层材料的厚度来调控古斯亨兴位移的大小和方向。