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光子晶体是近年来研究的热点，无论理论研究还是实验研究都取得了许多重大进展。尤其近年来纳米加工技术的进步大大促进了光子晶体实验工作的开展，使光子晶体材料和光子晶体微腔激光器的制备技术得以迅速发展。异质结构多层膜足集成器件的核心，其制备工艺成熟完善，成本低廉，对其进行深入研究成为提高集成器件性能及开发新器件的关键。
本文首先详细探讨了Nd：YVO4/SiO2/Si异质结构多层膜的生长技术：然后将异质多层膜的生长技术应用于光子晶体中，制备了介电材料的一维缺陷光子晶体，系统介绍和讨论了一维光子晶体微腔中的三倍频增强、光学双稳和自发辐射增强等物理问题。
1．采用激光脉冲沉积技术(pulsed laser deposition-PLD)，以控制Nd：YVO4薄膜的取向为目的，通过改变衬底温度、氧压等生长条件，获得具有不同微结构的Nd：YVO4/SiO2/Si异质结构多层膜。在衬底温度为650℃、氧压为20 Pa的生长条件下，成功的诱导了α-轴择优取向的Nd：YVO4薄膜的生长。系统表征了此Nd：YVO4薄膜的色散、导波和荧光等各项性质。Nd：YVO4薄膜的色散关系通过椭偏方法得剑，测量结果证明Nd：YVO4薄膜表面均匀，表面起伏很小。在633 nm处Nd：YVO4薄膜的光学参数为n=2.0514，t=1086.04±36.22 nm，这个结果与后面所介绍的棱镜耦合方法得到的结果非常接近(nTE=2.0588，t=1085.1±9.98 nm@633nm)。得剑Nd：YVO4薄膜在300-800 nm的色散关系，并确定Nd：YVO4薄膜的折射率其实足Nd：YVO4单晶的no和nc的平均值。采用棱镜耦合方法测得Nd：YVO4/SiO2/Si多层膜在633 nm激光激发下的导波性质，将测得的折射率与Nd：YVO4单晶的折射率相比，证明nTM对应的是寻常光折射率no，nTE对应的则是寻常光折射率no与非寻常光折射率nc的平均值，而nTE略小于no与ne的平均值，说明了Nd：YVO4薄膜的密度略小于块材，且nTE对于材料的结构比较敏感。Nd：YVO4薄膜在808.7 nm激光泵浦条件下，出现波长为1064.8 nm和1342 nm两个主要发射峰,荧光发射峰的中心波长与Nd：YVO4单晶一致，但是强度对比略有不同，这主要归因于不同晶体场的影响。并测量这两个波长下荧光强度与泵浦光强度的关系，与块材中的关系是符合的。
2．采用电子枪蒸发(electro—gun evaporation-EGE)和PLD方法，制备一维介电缺陷光子晶体(HL)M(D)(LH)M。设计和实验中，分别选择TiO2、SiO2和LiNbO3作为高折射率材料H、低折射率材料L和缺陷介质D，M取值为4，中心波长λ0=1015nm。这些薄膜层的光学厚度满足nHdH=nLdL=nDdD/2=λ0/4。当基波在这个一维光子晶体微腔和带边处入射时都观察到了明显的三倍频效应，微腔处的三倍频强度大约足带边处的10倍，比带隙中高出四个数量级，这个结果与理论计算结果相符合。还测量了不同结构的样品，都没有探测到倍频效应，而三倍频效应也只在一维缺陷光子晶体中观察到，证明了这是光子晶体微腔导致的直接三倍频增强。给出了基波与三倍频波强度的关系为I3ω—I3ω，也证明了这是一个直接三倍频效应。理论上，采用转移矩阵方法计算了这个一维光子晶体的透射谱，发现基波和相应的三倍频波分别处于不同的共振透射峰处。采用非线性转移矩阵方法，计算了基波和三倍频波的电场在一维光子晶体缺陷模、带隙和带边的分布。基波在缺陷模处入射时，基波和三倍频波都是被局域在中间LiNbO3缺陷层以及邻近的区域中，这个局域场使得基波的强度大约是入射时的40倍：而在光子晶体带边处入射时，电场同样也产生局域化，但足基波的增强比在缺陷模处小了很多，大约只是入射基波的1.75倍。在微腔处基波和三倍频的增强效应均远远大于带边处。而在基波带隙处入射时，基波和三倍频则会随着传播而迅速衰减。基波和三倍频在一维光子晶体微腔中的双共振效应，使得三倍频光得到极大增强。
理论上，采用非线性转移矩阵方法对一维光子晶体中光学双稳产生的条件进行了系统的研究。计算中所选择一维光子晶体的特征结构为(HL)M(H)N(LH)M，其中H为ZnS．L为MgAl2O4，这些薄膜层的光学厚度满足nHdH=nLdL=nDdD/2=λ0/4。分别考虑四种情况：(1)N=2，M=5，不同入射波长对产生光学双稳的光强阂值的影响：(2)N=2，M=4，5，6，7：(3)缺陷层厚度的变化LD=N*λ0/2nH，N=1，2，3，4；(4)不同的H/L材料：ZnS/MgAl2O4，TiO2/SiO2。(2)—(4)讨论的是不同结构对于产生光学双稳的入射波长阈值和光强阂值的影响。发现随着入射波长逐渐接近中心波长，产生光学双稳的光强阈值逐渐减小：对于不同结构的一维光子晶体，随着共振透射峰半带的减小和电场增强幅度的增大，产生光学双稳的入射波长逐渐接近中心波长，光强阈值逐渐减小。在ZnS/MgAl2O4干涉滤波片中验证了光学双稳现象，并给出了光学双稳产生的光强阌值。前两个实验只给出了入射光强增大时产生的出射光强跃变。在地个实验中，光学双稳阈值为75 mw，入射光强小于阈值时，得到的出射光强的透射率为36％，而在阈值以上的透射率为73％；在第二个实验中发现了两次光强的跃变，一个产生光学双稳的光强阈值为95.4 mW，透射率由15％跃变到27％，另一个阈值为194 mW，透射率由27％跃变到56％：第三个实验给出了完整的光学双稳环形曲线，入射光强增大和减小时分别出现了出射光强的突变，升闽值为112 mW，下降阈值为90 mW。光强增大时，透射率由21％跃迁到55％，当光强减小，透射率由55％突降至25％。对实验上观察到的光学双稳现象，需要查找更多的材料参数，以做进一步的分析。
3．选择Er：ZnO作为缺陷层材料设计和制备了一维缺陷光子晶体(HL)M(D)(LH)M，分别选择TiO2、SiO2和Er3+：ZnO作为高折射率材料、低折射率材料和缺陷介质，M取值为6，中心波长为λ0=980 nm。这些薄膜层的光学厚度满足nHdH=nLdL=nDdD/2=λ0/4。实验测量得到共振透射峰的中心波长在980nm，对应于Er的激发波长，这个结果与理论设计相符合。但是共振透射峰的透射率仅为18.8％，远小于理论计算结果，这主要是材料的吸收所造成的。理论上，通过计算激发光在一维光子晶体微腔中光场态密度的改变，来描述微腔对自发辐射的增强效应。粗略计算了在这个微腔中，激发光的增强因子为263。并且进一步讨论，在计算中如果考虑微腔对原子寿命和荧光谱宽的影响，可以增加计算的精度。而采用腔量子电动力学，可以精确求解微腔中的自发辐射增强。对于理论上预测的微腔对于发射峰波长在550 nm、660 nm和1540 nm的荧光增强，没有观察到。分析主要是由于Er：ZnO缺陷层为非晶层，无法产生荧光，而且激发波长对应的共振透射峰透射率较低。因此需要在材料制备和实验测量上做进一步的改进和探索。